かつて素粒子物理学の実験に使われていた古い実験室で、フランス人エンジニアチームが、史上最大のデジタルカメラとなる予定のフィルターを点検している。2021年10月、カリフォルニア州メンロパークにあるSLAC国立加速器研究所で、私は組み立て中のカメラを目にしている。この高解像度の撮像装置がついに稼働すれば、深宇宙の息を呑むような光景を私たちに届けてくれるだろう。
この装置は、レガシー・サーベイ・オブ・スペース・アンド・タイム（LSST）カメラです。3.2ギガピクセル（32億画素）のこのカメラは、最終的にチリの山頂にあるベラ・ルビン天文台に設置され、3日ごとに南半球の空の半分を撮影します。天文学者、天体物理学者、宇宙論者に、約1週間に1回、その領域の空の全体像を提供します。
「これまで観測したことのないほど暗い天体を、空の特定の領域で観測できるようになるでしょう」と、カメラの組み立てと試験の主任科学者である天体物理学者アーロン・ルードマン氏はギズモードに語った。「これまでも深宇宙への探査は行われてきましたが、それは空のごく小さな領域に限られていました。」この新しい望遠鏡は、広大な領域にわたって、はるか遠くまで、ひいては過去までを観測できるようになる。
毎週撮影されるこれらのポートレートは、南天の10年間の探査プロジェクト「宇宙と時間のレガシー・サーベイ」を構成するものであり、数百万の恒星や数十億の銀河を含む宇宙の物体の形状、位置、色に関するデータを収集します。15秒ごとに撮影されるこれらの画像は、研究者が地球近傍小惑星を注意深く監視し、天の川銀河の起源と進化に関する知見を得たり、暗黒物質と暗黒エネルギーの性質を解明したり、宇宙における全く新しい現象を発見したりすることを可能にします。
「重要なのは、とにかくできるだけ早く空のできるだけ広い範囲を撮影し、それを繰り返し行うことです」と、ルービン天文台の所長で天体物理学者のスティーブン・カーン氏はギズモードに語った。「この装置でできる最もシンプルなことは、『何が変わったのか？どのように変わったのか？』と尋ねることだけです。そして、私たちはそれを徹底的に行うのです。」
カメラの画像の規則性により、近距離および遠距離の宇宙での出来事をリアルタイムで効果的に理解することができ、宇宙がいかにダイナミックであるかを包括的に観察できるようになります。
LSSTカメラには、回転台のように回転する6つの光学フィルターが搭載されており、その夜の光の状況や観測者が撮影しようとしている天体に応じてフィルターを交換できます。これらのフィルターにより、カメラは近紫外線から近赤外線まで、電磁スペクトルの6つの異なる帯域で空を撮影することができます。
当初の計画では、2014年までにチリにカメラを設置する予定でしたが、カメラの生産は遅延に見舞われており、最近では新型コロナウイルス感染症の影響も受けています。パンデミックの困難がなくても、これほど大規模な学際的な科学者とエンジニアのチームを管理するのは「猫の群れを管理するようなものです」とルードマン氏は言います。しかし、今、ようやく計画が軌道に乗りつつあります。
「もしコロナがなかったら、カメラは1年ほど前に出荷していただろう」とカーン氏は語った。「現段階では、すべてがほぼ組み立てられており、すべてが極めて重要だ」
カメラの先端は3つのレンズと、使用中のフィルターで構成されています。実にシンプルです。しかし、その奥には、幅5.5フィート、長さ10フィートのこのカメラの真骨頂である焦点面、つまり望遠鏡の鏡からの光が当たる領域があります。
焦点面は189個の電荷結合素子（CCD）で構成されており、9個ずつ21グループに分かれて配置されています。これらのCCDはすべて真空中で華氏-150度近くまで冷却され、画像のノイズを低減することでカメラの感度を高めています。長さ2フィート（約60cm）のCCDの上には、焦点面を構成する正方形のセンサーが配置されています。焦点面は非常に平坦で、どの方向にも10ミクロン以上傾くことはありません（人間の髪の毛の直径は約70ミクロンです）。CCDは基本的にデジタルカメラのようなもので、9個ずつ集まって空のモザイク画像を撮影します。望遠鏡の3枚の鏡から反射された光をすべて取り込むのは、この技術なのです。
焦点面の組み立ては至難の業だった。CCDの筏を非常に平坦に、かつ非常に密集させて配置する必要があったが、いずれの筏も損傷させないよう、実際には接触させてはならない。「隙間があると光を無駄にしてしまう。星がその隙間に落ちてきてしまい、データを取得できなくなる」とカーンは述べ、焦点面の組み立ては1センチ未満の隙間に高級車を駐車するようなものだと付け加えた。ルードマン氏によると、筏1つ1つはマセラティよりも高価で、組み立て作業（SLACのこのクリーンルームで行われた）は非常にストレスの多い作業だったという。チームは昨年、完成した焦点面をブロッコリーの株に載せてテストした。
チリに到着すると、カメラは3枚の鏡の間に設置されます。1枚は上、2枚は下に設置されます。主鏡の直径は8.4メートル、三次鏡の直径は5メートルです。その間にある副鏡の直径は3.42メートルで、ルビン天文台チームによると、史上最大の凸面鏡となります。
焦点面は実際には地上に向けられ、宇宙の画像を撮影します。夜空からの光は、下側の鏡の一つで反射し、上側の凸面鏡まで上昇し、最後の鏡に戻ってからカメラへと反射します。
私はこの全てを、SLAC国立加速器研究所の更衣室で学びました。特注のクリーンルームで働くエンジニアたちは、カメラの近くに外部の埃やゴミを持ち込まないように、特別なブーツとバニースーツを着用していました。この建物はかつて反物質研究に使用されていました。ルービン天文台のチームがここに引っ越してきたとき、彼らは古い機器の「骨董品置き場」に対処しなければならなかったとルードマン氏は言います。クリーンルームは格納庫のような実験ホール内に建設され、クレーンが通れるほどの高さがあり、クライオスタット（すべての過冷却要素を収容し、その温度を維持するカプセル）と電子部品のトランクをカメラに挿入する予定です。おそらく2022年2月に行われる予定です。
いつかこのカメラは前後に回転し、毎晩膨大な量のデータを生成するようになるだろう。しかし、まずは無事にルビン天文台に到着しなければならない。計画では、2022年の夏の終わりにカメラをチリに送り込む予定だ。当然のことながら、チームはこの旅に不安を感じている。昨年の夏、彼らは「マスサロゲート」と呼ばれるカメラの代替品をチリに送り、繊細なカメラが輸送中にどのような衝撃を受けるかをテストした。この代替品は輸送コンテナによく似ているが、LSSTカメラと同じ質量と重心を持っている。移動中にどれだけの衝撃を受けたかを測定するためのセンサーが取り付けられていた。
「新型コロナウイルスの影響で、代理母出産のためにチャーター便を手配するのは、大量の代理母出産にはとんでもない金額になるだろうと覚悟していました」とカーン氏は語った。「そこで、もっと商業的な方法を試したのですが、サンフランシスコからの出発は認められず、マイアミからの出発しか認められませんでした。そこで、トラックでアメリカ大陸を横断してマイアミまで運びました。マイアミからサンティアゴまでは飛行機で行く予定でしたが、どういうわけかブラジルで止まってしまったんです…まさに典型的な例とは言えませんでした」
「まあ、実際はもっと悪かったけどね」とルードマンは付け加えた。「だから、いいテストになったよ」
ルービン天文台には、4 つの主な科学的目標があります。太陽系とその周りを飛び回る無数の天体、私たちの母銀河である天の川銀河の構造と形成、宇宙の爆発やその他のつかの間の出来事など、空の変化する物体、そして、その名前にちなんで、暗黒物質と暗黒エネルギーの性質の探究です。暗黒物質は、20 世紀半ばにヴェラ ルービンが重力観測しました。
毎晩、カメラは捉えた物体の明るさ、位置、形、色に関する15テラバイトのデータを送信します。ルビン天文台は、その情報に関する自動アラートを毎晩1000万件発信します。これまで、天文学者、天体物理学者、宇宙学者は、宇宙における新たな興味深い現象に関する最新情報やその他の通知をメールで受け取ることができました。「本当の課題は、毎晩1000万件もの情報をフィルタリングすることです」とカーン氏は述べました。「本当に珍しいものを見つけ、良いものと悪いものを区別するにはどうすればいいのでしょうか？」カーン氏によると、フィルタリングのプロセスはある程度自動化されるとのことですが、注目すべき現象は選別され、即座に配信されるため、世界中の他の天文台も、興味深い現象に即座に対応できるようになります。より多くの機器からより多くのデータが得られるほど、より良い結果が得られます。
このカメラは驚異的な解像度に加え、その視野（満月40個分もの広大な天体を覆うほど）は、科学者が宇宙のパターンを見つけ出す能力を飛躍的に向上させるでしょう。これほど広範囲の空をこれほど頻繁に撮影することで、研究チームは膨大な数の天体が時間とともにどのように変化していくかを効果的に追跡できます。これは、観測可能な宇宙（南半球）のストップモーション映画に匹敵するものです。
超高精細カメラで観測すると特に興味深い現象がいくつかあります。例えば、重力レンズ現象です。重力レンズ現象は、光が質量の大きい天体の重力によって曲げられる現象です。強い重力レンズ現象では、光は地球に向かう途中で天体の周りで大きく曲がり、異なる時間に到達します。その結果、同じ天体が二重、あるいは三重に映し出されます。2016年に私たちの視点から3回輝いたレクイエム超新星がまさにその状況でした。
暗黒物質は、宇宙の大部分を構成していると思われるが、実際には目に見えない謎の物質であり、この観測所の自然なターゲットである。
「私のキャリアの中で、優秀な人たちは『なんてことだ、宇宙にはたくさんの暗黒物質がある』『ああ、普通の物質よりもさらに多い暗黒物質がある』と気づきました。そして実際には、宇宙の物質の4分の3は物質ではありません。別の物質なのです。だから、それを研究するのは魅力的です」とルードマンは語った。
科学者たちはまた、宇宙の加速膨張の原因が何なのか、またハッブルパラメータが近距離の物体で測定した場合と宇宙マイクロ波背景放射で測定した場合で異なる数値として計算される理由についてもまだわかっていない。
「大きな謎を抱えています。しかし同時に、素粒子物理学の標準モデル、そして実は宇宙論の標準モデルも存在します。これらは驚くほど成功しており、非常に綿密に検証され、定量的にも驚くほど成功しています。しかし、それらは実際には全く意味をなさないのです」とカーンは述べた。「それでも、何かが正しいに違いありません。なぜなら、これらの数学的予測がこれほど正確に実現されるはずがないからです。」
残念ながら、このカメラは人為的な汚染に対処しなければなりません。具体的には、SpaceXのStarlinkのような衛星群が、LSSTカメラが撮影する画像の最大30%に映り込む可能性があります。通過する衛星はデータを不明瞭にしたり、場合によってはそれ自体が誤解を招くデータポイントになったりする可能性があります。この新しいカメラは、「何千年もの間、地球の住民が生得権として享受してきた、汚染されていない清らかな夜空にアクセスする必要がある」と、潜在的な天文学的混乱を測定した科学チームは記しています。
こうした課題を抱えながらも、LSSTは今後数十年で最も刺激的な天体物理学的発見のいくつかを牽引する可能性が高い。収集される画像はすべて一般公開されるため、天体物理学者でなくても、宇宙の物体の魅力的な挙動を心ゆくまで観察することができる。LSSTのファーストライト観測は2023年1月に予定されており、同年10月には本格的な運用開始となる予定だ。宇宙がどのように形成され、そして変化し続けているかについては、未解決の大きな疑問が数多く残されており、このカメラはそれらの答えを見つけるのに役立つだろう。
