JWST: 宇宙の最初の光に関する前例のない観察

ジェームズ・ウェッブ望遠鏡: 赤外線、鏡、宇宙の起源

ザジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST)これは、赤外線領域で宇宙を観察するためにこれまでに宇宙に送られた最も強力な機器です。 ハッブル望遠鏡の後継となるこの望遠鏡は、数十億光年離れた宇宙物体から放出される非常に低エネルギーの光子を捕捉することで技術的な進歩を遂げました。 直径 6.5 メートルのセグメント化された主鏡とその複雑な配置のおかげで、ラグランジュ点 L2, ジェームズ・ウェッブはビッグバン後に形成された最初の銀河を観察し、これまで目に見えなかった宇宙の時代を明らかにしました。

JWST が L2 ラグランジュ点に配置されるのはなぜですか?

ザラグランジュ点 L2は、地球から太陽とは逆方向に約150万キロ離れたところに位置しており、赤外線観測にとって安定した恵まれた軌道環境を提供しています。 この重力バランスの点により、JWST地球と太陽に対して準固定位置を維持するため、衛星の熱とエネルギーの管理が簡素化されます。 望遠鏡は、L2 の周りの軌道 (ハロー軌道) に自らを配置することで、常にその方向を向けることができます。熱シールド太陽、地球、月に向かって、それらはすべて同じ側にあります。 この構成は次の場合に非常に重要です科学機器を受動的に冷却する極低温（< 50 K）で、望遠鏡自身の熱が宇宙からの赤外線信号を隠すのを防ぐために不可欠です。

さらに、ハッブルの低軌道 (約 540 km ～ 560 km) とは異なり、L2 での測位により、JWST は遮蔽と観察の中断を最小限に抑える、天のドーム上でより安定した継続的な視野を提供します。 また、地球に向けられたアンテナを介して地上局との定期的な通信を可能にしながら、地上の赤外線放射の影響を制限する戦略的な位置でもあります。 つまり、L2 は、熱安定性、最大の可視性、エネルギー効率という、JWST の科学的使命に不可欠な 3 つの条件を兼ね備えています。

光学技術と極度の冷却

JWST の主要な課題の 1 つは、熱赤外線での動作です。極低温環境。 5 層の熱シールドが機器を太陽や地表放射から保護し、機器の温度を 50 K 未満に下げます。 搭載されている 4 つの科学機器 (NIRCam、NIRSpec、MIRI、FGS/NIRISS) は、0.6 ～ 28 ミクロンの広いスペクトル範囲をカバーします。 このスペクトルにより、系外惑星の大気中の分子の化学的特徴を検出できるだけでなく、原始惑星系円盤や星間雲を通した星形成の探査も可能になります。

James-Webb が極低温環境を必要とする理由

可視光域や紫外域を主に観測するハッブルとは異なり、James-Webb は赤外線望遠鏡です。 これは、人間の目で認識できる波長をはるかに超える約 0.6 ～ 28 ミクロンの波長を検出するように設計されていることを意味します。 ただし、これらの波長では、熱い物体はそれ自体が赤外線を放射します望遠鏡自体も含めて。 したがって、JWST 自体の熱で目が見えなくなるのを避けるために、JWST は極度に寒い環境で動作する必要があります。

このニーズにより、パッシブ極低温システム前例のない複雑さ。 テニスコートほどの大きさの5層サンシェードが太陽、地球、月からの光を遮断します。 この熱シールドは望遠鏡の温度を徐々に下げ、約50K (-223℃)楽器側です。 5 ～ 28 ミクロンで動作する MIRI 装置 (中赤外線装置) の場合、機械式冷凍機さらに温度を6.7Kまで下げます。

この極端な冷却により、JWST は、宇宙で最も冷たくて最も遠い物体から放射される赤外線光子を検出できるようになります。原始銀河、原始惑星系円盤、系外惑星の大気。 この高精度の極低温装置がなければ、これらの信号は望遠鏡自体の熱雑音によってかき消されてしまいます。

最初の結果: 宇宙論と系外惑星

ジェームズ・ウェッブ氏は最初の観察から次のことを明らかにした。高赤方偏移銀河\(z > 10\)、銀河形成モデルに疑問を投げかけています。 また、分光検出も可能になりました。水、二酸化炭素、メタンなどの分子高温の系外惑星の大気中で、宇宙生物学の新時代を切り開きます。 非常に若い宇宙の大規模な構造を明らかにすることで、JWST はタイムマシンのように機能し、光が自由に伝播し始めた時代へのアクセスを提供します。

赤方偏移 \(z > 10\): 宇宙の起源を見る

ザ赤方偏移(\(z\)) は、宇宙の膨張による光の波長の伸びの尺度です。 物体が遠ざかるほど、その光は赤（波長が長くなる）に向かって伸びます。 オフセット \( z \) を持つ物体の場合、観測された波長 \( \lambda_{\text{obs}} \) は、放出された波長 \( \lambda_{\text{ém}} \) に次のように関連付けられます。

\[ \lambda_{\text{obs}} = (1 + z) \cdot \lambda_{\text{ém}} \]

JWSTが明らかにした創造の柱

光学パワーの象徴的な例の 1 つジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の新しいイメージです創造の柱ワシ星雲の中で。 左側は、2014 年に取得された画像ハッブル可視光では、冷たいガスと塵の柱、有名な星形成のシルエットが見えます。 右側は、JWSTが撮影した2022年の画像。近赤外線(NIRCam 機器) はまったく異なる光景を明らかにします。赤外線が塵を透過すると、次のような様子が明らかになります。何百もの赤い星が形成されています、以前は見えませんでした。 JWST の優れた角分解能とその赤外線感度を組み合わせることで、これらの高密度の分子雲の内部を探索し、前例のない精度で星の誕生過程を追跡することが可能になります。

ジェームズ・ウェッブ: 宇宙の果てで

JWST は単なる望遠鏡ではありません。光学革命。 これには、光学、熱、軌道工学における数十年にわたる研究が凝縮されています。 その精度、感度、安定性は、科学者に宇宙を読み取るための新しい枠組みを提供します。 可視光では見せられないものを明らかにすることで、ジェームズ＝ウェッブは私たちの視野を、私たちの宇宙が誕生した時空の限界まで拡張します。