この 7 月、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) で作業している天文学者は、これまでに得られた中で最も深い天文画像を公開し、世界に畏敬の念を抱かせました。 46 億年前に出現した、SMACS 0723 という名前の銀河団を背景に、さまざまな形や大きさの無数の銀河が、宇宙の闇の中で明るい宝石のように見えます。これらの灯台のいくつかは、宇宙が誕生して数億年しか経っていなかった頃にすでに輝いていました。どのようにして私たちがこの驚くべき成果を達成したか、つまり、天文学者がどのようにして時空間的に私たちから遠く離れた銀河の島々に航海し、ビッグバンの息を呑むほど近くで旅を始めた光子を収集したかを理解するには、深場観測がどのようになったかを知ることが役立ちます。
ウェッブの最初の深宇宙の起源は、JWST の前身であるハッブル宇宙望遠鏡が打ち上げられた 1990 年代初頭にまで遡ることができます。当時、深層観測の概念はまだ初期段階にありました。ハッブルは主に対象を絞った観測のために設計されました。天文学者は望遠鏡を空の特定の場所にある光源に向け、光源の明るさに応じて必要に応じて露出 (または「統合」) します。しかし、ハッブルは深視野イメージングにも使用できます。これは逆です。天文学者は、望遠鏡を目に見える光源のない空の領域に向け、非常に長い露出時間を使用して、できるだけ多くのかすかな光源を観察します。宇宙の「奥」に到達。ハッブル宇宙望遠鏡は、地球の低軌道に位置し、星明かりを散乱させる地球の大気の上に位置し、天文学者がこれまでに知らなかった、深場画像を撮影するための最高のプラットフォームでした。
このアプローチが革新的であると誰もが思ったわけではありません。 Science に掲載された有名な記事で 1990 年、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所のジョン・バーコールと彼の同僚は、ハッブル宇宙望遠鏡による深視野画像は、地上望遠鏡よりもはるかに多くの銀河を明らかにすることはできないと主張しました。天体物理学の巨人であるバコールは、太陽ニュートリノの問題に関する研究と、大質量ブラック ホール周辺の星の分布の計算で広く知られていました。彼は、1970 年代の最初の構想から打ち上げまで、ハッブル宇宙望遠鏡の開発に根本的に貢献しました。 Bahcall は、ハッブルの深宇宙画像を使用して、かすかな銀河のサイズと形状を研究し、クエーサー (超大質量ブラック ホールを降着させるためのかなり古風な言葉) の人口調査を行うことができると考えていましたが、それらが新しいことを明らかにするとは信じていませんでした。銀河の集団。このような生ぬるい期待は、ハッブルで深場イメージングを試す緊急性を弱めました。
最初の試みは、非常に必要とされた光学系の修理の後、1995 年の冬休みの頃に行われました。望遠鏡は、おおぐま座に向けられた 10 日間の露光時間を費やし、月の角度直径のわずか 13 分の 1 の空の小さなパッチを見つめていました。数週間後、天文学者がディープ フィールド ノースと呼ばれる結果の画像を見たとき、彼らはすぐにそれが何世代にもわたるクリスマス プレゼントであることに気付きました。天の川の星々はターゲット領域ではまばらであるため、ハッブルは宇宙の深淵をまるでのぞき穴を通して調べることができました。望遠鏡は、さまざまな形とサイズの約 3,000 のかすかな銀河を見ました。予想よりもはるかに多く、そのうちのいくつかは 120 億光年も離れていました。ハッブルは宇宙を探索しただけではありませんでした。それはまた、宇宙の初期の時代に何十年も前に放出された星の光を集めて、時間を調査していました.この画像はすぐに象徴的なものになりました。
重大な疑問が生じました:ディープフィールドノースによって明らかにされた銀河が豊富な領域は、宇宙全体で標準的なものでしたか、それとも天文学者はたまたま望遠鏡をパンタグルエルの銀河群に向けただけでしたか? 1998 年にハッブルはディープ フィールド サウスを取得しました。露出は似ていましたが、望遠鏡は最初のスポットから可能な限り離れた天の南半球に向けられました。この新しい画像は、宇宙がこれまで考えられていたよりもはるかに多くの銀河を、特に広大な距離に含んでいることを確認しました。科学的およびインスピレーションを与える価値に加えて、これらおよびその他のハッブル深宇宙探査は技術的な勝利であり、天文学の最初の「ビッグデータ」課題の 1 つで 10,000 以上の銀河を捉えました。
ディープ フィールド イメージングは、スペクトルの可視領域に限定されません。ミレニアムの変わり目に、1999 年 7 月に開始され、現在も活動を続けている革新的な NASA ミッションであるチャンドラ X 線天文台が、最初の高エネルギー深場を捉えました。チャンドラ ディープ フィールド サウスは、天の川からの水素の雲と塵のない空の一部を約 100 万秒間積分することによって取得されました。チャンドラ ディープ フィールド サウスは極限の宇宙を発見し、何百ものブラック ホールを明らかにしました。この画像は、ハッブル写真ほど視覚的に壮観ではありませんでしたが、科学に満ちていました。チャンドラは後に、X 線でこれまでに得られた最も深い視野の 1 つを捉え、約 700 万秒の合計露出で同じ視野を撮影しました。 2003 年には、チャンドラ ディープ フィールド ノースと呼ばれる新しい画像が公開され、500 を超える X 線源からのデータが含まれています。
2006 年に科学者は、2002 年のサービス ミッション中に望遠鏡に追加された Advanced Camera for Surveys と呼ばれる機器を使用して撮影されたハッブル超深宇宙をリリースしました。宇宙が誕生して10億年未満だった頃。ウルトラ ディープ フィールドは、銀河形成の歴史を前例のないほど詳細に示しました。遠方の銀河は、近くの銀河よりも小さく、不規則な形をしているように見え、銀河の進化理論を支持する実質的な証拠を提供しています.
Ultra Deep Field に使用される技術は、基本的に光学波長で取得できる最も深い画像を提供します。銀河が遠すぎる場合、その光は可視範囲外にシフトし、赤外線領域に入ります。これは宇宙の赤方偏移の結果であり、宇宙の膨張により、銀河間空間の巨大な広がりを通過する光の波長が引き伸ばされます。赤外線カメラで空間と時間をさらに遠くまで見ることができます。ハッブルに新しい近赤外線カメラが追加されたことで、2009 年に赤外線の超深宇宙が取得され、ビッグバンからわずか 6 億年後に輝く銀河が明らかになりました。 10年後の2019年、NASAのスピッツァー赤外線宇宙望遠鏡で生成された深宇宙が公開されました。これらの画像はどちらも、宇宙の夜明けの銀河が豊富です。
2017 年に完了したハッブルのフロンティア フィールド キャンペーンは、JWST の最初のディープ イメージの真のプロローグでした。この観測キャンペーン中、ハッブルは 6 つの大きな銀河の集まりに向けられました。アインシュタインの一般相対性理論によれば、視線に沿ったかなりの密度の質量が曲がって、背景の光源から入ってくる光を増幅する可能性があります。これは重力レンズと呼ばれる効果です。フロンティア フィールド キャンペーンでは、これらの銀河団を拡大鏡として使用して、さらに遠くを見ることができました。群れをなす銀河で満たされていることに加えて、フロンティア フィールドの画像は奇妙な光の弧で飾られており、銀河団よりはるかに遠くにあり、ハッブルで直接観測するには弱すぎる可能性がある、背景の銀河の引き伸ばされ増幅された画像を表しています。これらのショットは、最も遠い銀河のいくつかと、最初の重力レンズ超新星を明らかにしました.
人類が最初に光子を直接キャプチャして記録し、画像を作成することができた写真の出現から、ほぼ 200 年が経ちました。今日、100 万マイル離れた宇宙望遠鏡に搭載された非常に複雑なカメラは、宇宙に関する私たちの知識を揺るがし、空間と時間への新しい窓を開いています。これら 2 つの出来事は比較的短い時間で隔てられていますが、同じ目標によって結び付けられています。それは、目に見えないものを見ることで自然をより深く理解することです。
