ワーナー ブラザーズのアニメーターが 1952 年のバッグス バニーの漫画に最先端の天文学を取り入れたいと考えたとき、彼らはカリフォルニアのパロマー天文台に似た天文台にシーンを設定しました。パロマーに設置された当時新たに公開されたヘイル望遠鏡には、世界最大の直径 5 メートルの鏡がありました。 1989 年、漫画家のビル ワターソンが「カルビンとホッブス」の漫画で世界最大の望遠鏡について言及したとき、彼は再びパロマーに行動を起こしました。この 38 年間でコンピューターは 100 万倍の速さで成長し、8 つの異なる粒子コライダーが構築され、その分野のトップ ランキングを競いましたが、天文学の丘の王者はその王座にとどまりました。
これは、1992 年にケック望遠鏡とその複合 10 メートル ミラーの導入により変化しました。それ以来、8 ～ 10 メートルの望遠鏡が 10 基ほど作られました。しかし、望遠鏡技術におけるこの最後の飛躍から 20 年以上が経過しました。さて、いよいよ次世代の登場です。 3 つの望遠鏡が登場しており、その競争はすでに始まっています。
3 つの新しい天文台が設計段階にあり、すべて直径または開口部が 25 ～ 40 メートルで、いずれも 2022 年に最初の光が収集されると推定されています。ジャイアント マゼラン望遠鏡（GMT、カリフォルニア州パサデナに本部を置く）、サーティティMeter Telescope (TMT、同じくパサデナ) と European Extremely Large Telescope (E-ELT、本社はドイツの Garching) です。危機に瀕しているのは、太陽系の小惑星、準惑星、および惑星衛星のマッピングです。惑星系全体の画像化;天の川銀河の中心部にあるゴライアサンのブラック ホールを間近で観察する。星と銀河の形成を支配する詳細な法則を発見する。初期宇宙で最も遠い天体の赤ちゃんの写真を撮る。
これらの望遠鏡のおかげで、天文学は今後数十年にわたって再発明される態勢が整っています。名声と栄光、見出しと名声、そしておそらくいくつかのノーベル賞も、新しい宇宙機構を最初に明らかにした天文学者に贈られるでしょう。驚くべきことに、このレースのストーリーは、計器自体の技術仕様や設計のブレークスルーだけでなく、各チームが取った組織的なアプローチにも書かれています。競馬は、テクノロジーと科学のプロセスの両方へのユニークな窓口です。
1949 年の建設から 50 年間で、パロマー天文台の性能を最も打ち負かした望遠鏡は、ボリショイ望遠鏡 Alt-azimutalnyi (BTA-6) でした。これは、6 メートルの鏡を使用し、1975 年に命名されたソビエトの望遠鏡です。しかし、BTA-6 は、5 メートルを超える単一ミラー望遠鏡を構築して運用することがいかに難しいかを証明しただけでした。その鏡は非常に象のようで、自重でひびが入り、集めた光からの熱が敏感な光学系を不安定にしました。その結果、生産的のために 天文観測所であるパロマーは、1992 年に 10 メートルの W.M.ハワイのケック天文台望遠鏡が最初に目を開けました。
ケックの歴史は、ローレンス・バークレー国立研究所の新進気鋭の科学者、ジェリー・ネルソンと呼ばれる一人のアメリカ人物理学者から始まりました。 1977 年当時、BTA-6 と同じように重力の影響を受ける 10 メートルの装置は、まったく不可能ではないにしても、非常に非現実的であるという一般通念がありました。ネルソンの革新は、1 つのミラーに依存するのではなく、小さな六角形のミラー セグメントのハニカムのような構造に依存することでした。柔軟で軽量な各ミラーは個別に取り付けられ、アレイ内の配置に固有の独自の曲率を持っていました。中央の鏡は、6面すべてが上向きに湾曲しています。軸から外れて右に配置されたミラーは、左端で下に曲がり、右端で上に曲がります。六角形の鏡の全体構造は、曲がった単一の鏡とまったく同じように振る舞うメタ鏡になります.
ネルソンの設計は、望遠鏡の本体が回転するにつれて、各ミラーをその場で調整する必要があったため、重力の引きを補うためにミラーを微調整するコンピューター化されたネジとフライホイールの配列によって調整する必要がありました。
TMT のメンバーであり、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学教授である Michael Bolte 氏は、次のように述べています。 「誰もが彼は完全に頭がおかしいと思っていました。彼らは、風が吹き、重力ベクトルが変化し、湿度が変化する現実の世界に出たら、きっとうまくいかないだろうと考えました。」今日でも、天文学者の懐疑論は十分に正当化されているようです。ネルソンの設計を使用して 10 メートルの望遠鏡を操作するには、各ミラー セグメントの位置を継続的に監視し、数十億分の 1 メートル以内に調整する必要がありました。
その上で、ケックは後に、別の一連のコンピューターを使用して、望遠鏡の上の大気のわずかな擾乱を監視するというさらなる革新を実装しました。次に、追加の変形可能なミラーを追加することで、大気が星の画像にもたらす小さな熱の揺らぎを補正できます。
言い換えれば、ネルソンは、地球の大気の影響を「差し引く」ことができる望遠鏡を設計することを望んでいました. (このような補償光学は、3 つの次世代望遠鏡プロジェクトすべてで使用されています。)
したがって、1980 年代から 1990 年代初頭にかけて、多くの主要な天文学者がネルソンの計画を無視したのも不思議ではありません。 1993年 たとえば、ネルソンのロサンゼルス タイムズ プロフィールは、「国内トップの望遠鏡設計者の 1 人」と表現する匿名の情報源を引用しています。匿名の情報源は、ネルソンを「傲慢な愚か者」と評価し、W.M.ケック天文台の 2 億ドルの値札は、最終的には無駄遣いになるだけです。
しかし、1992 年にケック望遠鏡 (1996 年にいとこのケック II が続きました) が代わりに、10 メートル級の天文学の新時代を切り開くという設計者の約束を果たしたとき、世界中の他の天文台は驚きました。
「キャリア全体で取り組んできたこれらの問題は、ケックで一晩過ごした後、必要なすべてのデータを取得できます」とボルテ氏は言います。 「私たちは実際、世界の多くの人に人気がありませんでした。そして、私たちが 30 メートルの望遠鏡について考え始めたとき、二度と「ケック」されることはないと誓った人がたくさんいました。
ケックデザインの歴史はフィールドを彩り続けています。 3 つのチームの 1 つである TMT は、ケックの設計とネルソンを含む多くのチーム メンバーを直接継承しています。 TMT はまた、ハワイの休眠中のマウナケア火山の山頂スペースをケックと共有します。その新しいデザインは、ケックのセグメント化された六角形の鏡を 30 メートル スケールに拡張したものです。 TMT のボルテ氏は、競合する E-ELT チームが TMT/Keck のチームと同様の計画を開発したことをほんの少しの楽しみで付け加えましたが、レガシーや制度上の慣性が望遠鏡の設計や別の設計にそれを押し付けることはありませんでした。
「ここで誰かを批判しているように聞こえたくありません」と彼は言います。 「しかし、本当にゼロから望遠鏡を設計するつもりなら、25 ～ 30 メートルの望遠鏡を設計する場合、ほぼ確実に GMT 設計よりも TMT 設計を選ぶと思います。つまり、非常に小さなギャップを持つ小さなセグメントです。その証拠として、ヨーロッパ人はやりたいことを何でもできたはずです。彼らは白紙の状態でした…彼らは費用便益分析を行い、TMT に非常によく似た望遠鏡を構築する方法であると結論付けました。」
実際、TMT と E-ELT のミラー セグメントは、1.44 メートルというまったく同じサイズのスケールです。 (ただし、ミラーごとに異なるカーブとワープがあるため、これらは交換可能ではありません。) 彼のチームが TMT と同じミラー コンポーネント サイズを選んだ理由を尋ねると、ヨーロッパ南天天文台 (ESO) のディレクターである Tim de Zeeuw 氏は次のように述べています。 「…セグメントの制作に協力する正式な意図はありませんが、サイズが同じであるため、不可能ではありません。」 TMT は 492 個の六角形のミラーを使用して、有効な 30 メートルの開口部を作成します。 E-ELT は、チリのアントファガスタ近くのアタカマ砂漠にある山頂天文台に設置され、798 個の六角形ミラー セグメントを使用して 39 メートルの有効望遠鏡サイズを作成します。
対照的に、GMT 望遠鏡は、7 つの円形の 8.4 メートルの鏡を使用しており、すべてが主鏡の上に吊り下げられた中央の凸面鏡に反射します。チリのラ セレナ近くの山頂展望台に設置される 7 枚のミラー構造は、24.5 メートルのシングル ミラー望遠鏡と同等の解像度を持つメタ ミラーを作成します。セグメント (そのうちの 1 つが完成し、さらに 2 つが製造されています) は、BTA-6 が遭遇したことで有名な 6 メートルの制限を克服する軽量のハニカム デザインを使用しています。 GMT パートナー機関であるアリゾナ大学は、大学のフットボール スタジアムの下にあるスチュワード天文台ミラー ラボでミラーを作成しています。
ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのディレクターであり、GMT 理事会のメンバーであるチャールズ・アルコックは、次のように述べています。 「これは非常に複雑な形状をしています。これは軸外のセグメントであるため、中心に対して対称ではありません。そして、19ナノメートルの精度で研磨されています。したがって、これは人類史上最高の大型光学面です。」
アリゾナ大学の天文学と光学の教授であるロジャー エンジェルは、GMT のチーフ アーキテクトであり、知的先祖でした。 Alcock は、ケックが最初の 10 メートル クラスの望遠鏡であるが、チリのマゼラン望遠鏡 (Giant とは異なる) を含む他の望遠鏡があると述べています。 マゼラン望遠鏡) と、アリゾナの複数ミラー望遠鏡と大型双眼鏡望遠鏡はしません。 Keck デザインを使用します。 「TMT は Kecks の直接の後継ですが、セグメントが 36 から 492 に増え、設計が大きく異なります」と Alcock 氏は言います。 「GMT デザインには、TMT デザインと同じくらい、おそらくそれ以上の遺産があります。」
非常に多くのハード サイエンスのバランスが取れているため、競合する 3 つの望遠鏡のさまざまな設計によって、どちらが最初にポストを通過するかが決まると考える人もいるかもしれません。しかし、競争にはもっと平凡な側面があります。それは、パートナーを確保することです。これは、国際企業、研究所、および国家機関の一種の音楽椅子に要約されます。 「私たちの世界の誰もが、潜在的なパートナーが誰であるかを知っています」とアルコックは言います。 「私たちが誰かと話している場合、TMTがおそらく彼らと何らかの接触を持っていることを知っているだけです.個人の潜在的なパートナーが両方のプロジェクトに参加する可能性は低いと思います。その点で、それは大きな賭けです。」
TMT のボルテ氏は、「GMT は、望遠鏡に資金を提供するためにさらにパートナーを見つける必要があることに非常に早い段階で気付きました。そのため、私たちは皆、同じことをして世界中を飛び回っていました」と述べています。 「E-ELTの誰かが出発するちょうどその時、私たちは北京の空港に現れました。または、東京の空港で [GMT リーダー] ウェンディ フリードマンに出くわすこともありました。私たちは皆、これらの国すべてに私たちのプロジェクトについて話し合っていました。彼らがどのように選択したかはよくわかりません。しかし、3 人すべてが選択したことを考えると、主要なプレーヤーの何人かが私たちのプロジェクトを選択してくれたことを本当にうれしく思います。」
TMT にとって大きな勝利を収めたのは中国でした。この国の経済規模と科学的地位は、各望遠鏡の関係者が求愛行動を注意深く観察していたことを意味します。中国は独自の30メートルクラスの望遠鏡を作ることを検討していましたが、乾燥したチリの山々やマウナケア山頂のような天文学的に完璧な条件を誇る山頂の場所はありません.現在、北京にある中国国家天文台のShude Mao氏は、TMTの理事会に参加しています。彼は、ケックの印象的な実績が、世界第 2 位の経済大国を TMT に向かわせる重要な要因であったと述べています。
中国の決定は、競合する 3 つのチームのそれぞれでさまざまな種類の組織構造が働いていることも明らかにしています。 E-ELT には、国レベルの協力のヨーロッパ モデルがあります。 E-ELT に参加するには、ESO へのメンバーシップと、ESO 予算に対する国の国内総生産 (GDP) のわずかな固定パーセンテージの誓約が必要です。これは、2013 年の GDP が 9 兆ドルだった中国にとって、加盟費が高くつくことになります。
GMT と TMT はどちらも、一部は制度的、一部は全国的なパートナーシップである、洗練された、より企業的なアメリカン スタイルの組織を持っています。ただし、GMT は現金による拠出が義務付けられているため、中国にとってあまり魅力的ではありませんでした。対照的に、毛沢東は、TMTの初期段階における中国の貢献の70％は「現物」である可能性があると述べています。これは、中国が分光計または TMT の 492 ミラー セグメントの特定の数を製造して寄付することを要求される可能性があることを意味します。しかし、中国は国内でこの作業を行い、自国の産業を刺激することもできます。 「それは私たちにとって非常に重要です」と毛沢東は言います。
対照的に、オーストラリア国立大学のブライアン・シュミットは、GMT が親切な寄付を軽視するのには正当な理由があると述べています。ノーベル賞受賞者の天文学者であり、GMT がオーストラリアに署名する取り組みのリーダーであるシュミットは、GMT は科学的および技術的なメリットに基づいてのみ契約を授与すると説明しています。作業命令を授与する際にお気に入りを演じません。 「それは本当に物事を成し遂げることに焦点を当てた真のミニマリスト構造です」とシュミットはGMT組織について語っています.
他の大きな全国的な「取得」は、初期の集計を締めくくります。 2014 年の初めの時点で、これらはブラジルが ESO (したがって E-ELT) に署名したものですが、これにはまだブラジル議会による批准が必要です。韓国とオーストラリアはGMTに力を入れています。中国、インド、日本はTMTを支持している。
ESO の広報担当者 Richard Hook が説明するように、結果として生じる 3 者間競争は、一種の協力と競争のかばんです。 「この状況は『共闘』と呼ぶことができます」と彼は言います。
3 つの望遠鏡プロジェクトのそれぞれについて、工業的な作業と予想される完成日の多くは、厳重に保護された企業秘密です。 3 つの望遠鏡のすべてのウェブサイトは、完成予定日を正確には明らかにしていません。それぞれが完成する可能性を示し、2022 年までに実際の科学を実施する可能性を示しています。しかし、各コミュニティは明らかに共通の目標を念頭に置いています。
ボルテは TMT について次のように述べています。 「5 年前にこの望遠鏡の製作を開始したかったのです。技術的には、それを行う準備ができていたと思います。私たちが持っていなかったのは、私たちのパートナーシップをまとめたものです。」
彼のグループの E-ELT の ESO の Hook は次のように述べています。しかし、彼は続けて次のように付け加えています。 3つとも長寿命の汎用望遠鏡になります。彼らは 1 つの結果に集中していません。」
実際、ノーチラス号が使用されている 3 つの望遠鏡の関係者は全員、 この話のために話されたのは、競争の評価を同僚の言葉で慎重に表現することでした.ライバルと同じくらい多くの協力者になる可能性が高い望遠鏡に対して、狙撃や軽蔑的な印象を与えたくないことが何度も表明されました。悪い血の正当な理由を提供したいと思う人は誰もいなかった.しかし、各チームがゴールまで競争していることは明らかでした。
3 つのチームの勝者に関係なく、3 つの望遠鏡すべてが建設された場合 (この話について相談を受けた専門家は他の結果を予測していません)、現代の記憶のどの時代にも似ていないほど、天文学が急速に発展する可能性があります。今日働いている天文学者の職業人生における唯一の前例は、1993年のケックの打ち上げでしょう。この3つの並外れた科学機器が宇宙にどのような新しい窓を開くかは、誰にも推測できません.
「以前の世代の望遠鏡での私たちの経験は、人々が望遠鏡を構築するようになった科学プログラムを実行していることです」とアルコックは言います。 「しかし、多くの場合、最もエキサイティングな科学は誰も考えていなかったものです。まったく予想外のことです。」
マーク・アンダーソンは科学技術ジャーナリストで、 Discover、Technology Review、Scientific American、Science、Wired、IEEE Spectrum、New Scientist、および ローリングストーン。
脚注
1. この 1952 年のバックス バニーの漫画の最後のシーンには、カリフォルニアのパロマー天文台のように怪しい天文台が登場しました。
2. この 1989 年のコミックでは、カルビンが「おバカな男」に変装し、パロマー天文台を訪れます。
3. 望遠鏡で使用されるレンズの詳細については、Starizonia をご覧ください。
