赤外線画像：どうやって可視化するのか？

なぜ赤外線で観るのか？

見えないものへの窓

人間の目は光のスペクトルのごく細い部分、紫から赤までしか見ることができません。 赤外線は赤のすぐ外側に位置し、可視光よりも長い波長を持ちます。 ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、主に近赤外線と中赤外線の領域でこの光を観測するために設計されています。

塵のベールを貫く

形成中の星々は、しばしば塵とガスの雲に包まれています。塵の粒は可視光を、長い波長の赤外線よりも強く吸収・散乱します。したがって赤外線は、こうした雲を貫通し、背後に隠された星々を観測することを可能にします。

JWSTは赤外線観測装置（NIRCam、NIRSpec、MIRI、FGS/NIRISS）のおかげで、系外惑星のごく微弱な熱放射も検出でき、可視光では十分に明るくないために他の方法では検出できない天体も研究できます。

宇宙の果てを観る

宇宙の膨張は、遠方の天体から放出された光の波長を引き伸ばします。その光は赤方偏移し、やがて赤外線へと移ります。このずれは赤方偏移と呼ばれ、天体が遠いほど大きくなります。

2025年、JWSTは赤方偏移14.44の銀河MoM-z14を確認しました。ビッグバンの約2億8000万年後に観測されたもので、分光法によって距離が確認された中で最も遠い銀河です。この記録は望遠鏡自身によってすでに何度も塗り替えられており、今後も更新される可能性があります。

限界まで冷却された望遠鏡

なぜ極寒が必要なのか

赤外線観測装置は極めて低い温度に保たれなければなりません。そうでなければ、装置自身の熱が宇宙から届く微弱な信号をかき消してしまうからです。JWSTの観測装置は約40 K（約−233 °C）で動作し、大きなサンシールドが全体を太陽と地球の熱から守っています。

MIRIの特別な場合

28 µmまでの中赤外線を観測するMIRI装置は、さらに強力な冷却を必要とします。搭載されたクライオクーラーによって6.7 K未満、約−266 °Cに保たれています。この対策がなければ、自身の熱放射によって目がくらんでしまうでしょう。

赤外線から可視光の色へ

生データの処理

観測装置が捉えた赤外線データは、コンピュータアルゴリズムによって処理され、色に変換されます。これらの色は、観測対象の実際の色に対応するのではなく、精密な波長帯で測定された強度に対応します。JWSTは実際にはフィルターごとに1枚ずつのグレースケール画像を記録しています。

ウェッブの画像を管理するSTScIは、偽色よりも代表色という言葉を好んで使います。色合いは測定された現実を伝えており、天体の近くに置かれた観測者が見るであろうものを再現しようとはしていません。

色彩順序

赤外線領域は三つの下位領域に分けられます。近赤外線（0.75〜1.5 µm）、中赤外線（1.5〜30 µm）、遠赤外線（30 µm〜1 mm）です。JWSTは主に最初の二つをカバーしています。

赤外線の波長はその後、「色彩順序」と呼ばれる原則に従って虹の色に変換されます。最も長いものには赤い色合いが、最も短いものには青い色合いが与えられます。このアプローチは情報の伝達を改善します。同じ色は、ある可視化から別の可視化へと同じ情報を表し、画像は見やすく理解しやすいままです。

波長の移調

そのために、イメージング開発者は赤外線の波長をスペクトルの可視部分へとずらし、私たちの目がそれらを区別できるようにします。 それはちょうど、ピアノで弾かれた曲を別の調に移調するようなものです。ピアニストはすべての音符の高さを一定の音程だけ変えつつ、それらの音符の関係を保ちます。どちらの場合も、旋律は同じままです。

フィルターの適用

画像処理の専門家は次にフィルターを適用します。最も遠い波長には赤フィルター、中間の波長には緑フィルター、最も近い波長には青フィルター、時にはオレンジに着色された狭帯域フィルターです。NASAが公開するキャプションには、各色に対応するフィルターも明記されています。NIRCamで観たタランチュラ星雲では、F090Wが青、F200Wが緑、F335Mがオレンジ、F444Wが赤です。

フィルターを重ねた後、開発者は最初の彩色画像を得ます。より興味深いものですが、まだ美的に満足のいくものではありません。ここで人間の創造性が働きます。イメージング開発者は科学者と対話しながら、自らの芸術的感覚を活かします。

こうした操作の過程で、細部と品質は徐々に向上します。レタッチは情報を変えることなくコントラストと鮮明さを強化します。ノイズやアーティファクトを除去することはできますが、データにない天体を捏造することはありません。目的は何よりも、測定に忠実で、見て美しい画像を生み出すことです。

タランチュラは赤外線の衣をまとう

明らかになったタランチュラ星雲

大マゼラン雲に位置し、約16万1000光年離れたタランチュラ星雲（30 Doradus）は、局部銀河群、すなわち天の川銀河に近い銀河の集合の中で、最大かつ最も明るい星形成領域です。ウェッブの近赤外線カメラ（NIRCam）は、これまで観測されたことのない、塵に隠された何万もの若い星々を明らかにします。

中赤外線が塵を貫くとき

MIRIが観測する中赤外線では、この領域の様相が変わります。中央の熱い星々は薄れ、より冷たいガスと塵が姿を現します。光の点は、まだ埋もれている原始星を示しており、それらは物質を蓄積し続けています。

繭から出てくる星

NIRSpec分光器による積分視野分光法の観測により、NIRCam画像で見つかった泡のような構造を詳しく特定することができました。スペクトルは、それが若い星によって吹き上げられた泡ではなく、隣接する大質量星の放射によって彫られた密な柱の頂上であることを示しています。その星は、まだこの繭に守られながら、ちょうどそこから出始めたばかりなのです。

そして明日は？

ナンシー・グレース・ローマン望遠鏡のリレー

NASAのナンシー・グレース・ローマン望遠鏡もまた赤外線望遠鏡ですが、孤立した目標ではなく空の広い範囲を観測するために設計されています。打ち上げは早ければ2026年末に予定されています。それは、精密な天体の詳細研究に優れるJWSTを、大規模なサーベイで補完するでしょう。

覚えておくべきこと

現代宇宙論の鍵

要するに、赤外線での観測は、現代宇宙論に欠かせない鍵としての地位を確立しています。可視光が到達できない領域を明らかにし、恒星の保育園を覆い隠す塵のベールを貫き、他のどの方法でも影に置き去りにされる冷たく遠い天体を明らかにします。

見えないものへの窓

この見えないものへの窓のおかげで、天文学者は今や星の誕生をたどり、系外惑星の大気を詳しく調べ、何十億年にもわたる銀河の組み立てを再構成し、宇宙進化の最初の章に近づくことができます。