2023年7月1日、ユニークな欧州の宇宙望遠鏡であるユークリッドがケープカナベラルから打ち上げられた。この打ち上げは、私の天文学者としてのキャリアの中で間違いなくハイライトであったが、何年もの作業の結果がロケットに乗せられるのを見ることは、心臓の弱い者には向いていない。完璧な打ち上げの後、Euclidは迅速に予定された軌道に到達し、地球から約150万キロメートル離れた場所に到達した。この遠い視点から、Euclidは鋭い画像を送り返し始め、今後10年間で空の約3分の1をカバーする予定である。
Euclidは、宇宙を理解しようとする我々の探求において次の大きな一歩である。過去1世紀にわたり、我々は大きな進歩を遂げてきた。水素がヘリウムに融合することが太陽のような星のエネルギー源であり、私たちの体内のほとんどの原子は、爆発した星の中心で形成されたことがわかった。我々は、銀河系が宇宙全体に浸透する巨大な泡状の構造を描く多くの銀河の一つであることを発見した。我々は今、宇宙が約136億年前に「ビッグバン」で始まり、それ以来膨張し続けていることを知っている。
宇宙のブラックボックスを探る
これらは大きな成果であるが、我々が知れば知るほど、理解できていないことが多いことも明らかになった。例えば、宇宙の大部分は「ダークマター（暗黒物質）」と信じられているが、これは現在の標準的な素粒子物理学モデルでは説明できない新しい形の物質である。この物質の重力が宇宙の膨張を遅らせるはずであるが、約25年前に我々はそれが実際には加速していることを発見した。これはさらに謎めいた要素を必要とする。これを「ダーク（暗黒エネルギー）」と呼び、我々の無知を反映している。これまでのところ、良い物理的説明は存在しない。ダークマターとダークエネルギーを合わせると、宇宙の95%を占めるが、その性質は理解できていない。
我々が知っていることは、両方の暗黒要素が大規模構造の形成に影響を与えるということだ。ダークマターの重力は、物質を銀河やさらに大きな天体に引き寄せるのに役立つ。一方、ダークエネルギーは物質を引き離す力を持ち、重力の引力に対抗する効果がある。これら二つのバランスは宇宙が膨張するにつれて進化し、ダークエネルギーがますます支配的になる。その詳細は暗黒要素の性質に依存し、観測との比較により異なる理論を区別できる。これがEuclidが打ち上げられた主な理由である。ユークリッドは物質の分布がどのように進化したかをマッピングする。これらの測定は、宇宙のダークサイドをよりよく理解するための非常に必要な指針を提供することができる。
しかし、ほとんどが見えないダークマターである場合、物質の分布をどのように研究するのか？幸運なことに、自然は便利な方法を提供している：一般相対性理論は、物質がその周囲の空間を曲げることを教えている。暗黒物質の塊は、より遠くの銀河の形を歪めることでその存在を明らかにする。これは、プールの表面の波が底のタイルのパターンを歪めるのと同じである。
重力レンズとその手がかり
通常の光学レンズとの類似性から、光線の物質による屈折は重力レンズと呼ばれる。稀な場合では、屈折が非常に強いため、同じ銀河の複数の画像が観察されることがある。しかし、大部分の時間では、この効果はより微妙であり、遠くの銀河の形をわずかに変えるだけである。それでも、多数の銀河の測定を平均化することで、通常の物質と暗黒物質の分布によって刻まれたパターンを明らかにすることができる。
この「弱いレンズ」信号は、それほど劇的ではないかもしれないが、特に形が測定された銀河の距離と組み合わせることで、宇宙の物質の分布をマッピングする直接的な方法を提供する。この技術の可能性は90年代初頭に認識されたが、測定は困難であることも明らかであった。大気の乱れは、使用したい微弱で小さな遠方銀河の視界をぼかし、望遠鏡の光学系の欠陥は銀河の観察された形を必然的に変える。そのため、天文学界は技術的な実現可能性に懐疑的であった。私が1995年に博士課程を始めたとき、これが状況であり、彼らが間違っていることを証明する旅に出発した。
地上望遠鏡で収集したますます大きなデータセットを使用して、我々は新たな問題を発見し解決してきた。1990年に打ち上げられたハッブル宇宙望遠鏡の観測に基づき、私の論文は、形の測定が宇宙空間からの方がはるかに容易であることを既に示していた。しかし、ユークリッドの到来まで、宇宙望遠鏡は空の小さな部分しか観測できなかった：2021年に打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) は、腕の長さにある砂粒のような広さを観測することができる。しかし、ダークエネルギーの性質を本当にテストするためには、600万倍の面積をカバーする必要がある。これが、15億の銀河の鋭い画像を提供するよう設計されたユニークな望遠鏡、ユークリッドにつながった。図2に示すように、単一のショットで満月よりも広い領域を観測する。
これらのデータは、遠方の銀河の分布を詳細にマッピングするために約2500万の銀河の正確な距離情報と補完される。
ユークリッドの宇宙論コーディネーター
この研究分野に足を踏み入れたとき、ダークエネルギーはまだ発見されておらず、弱いレンズ効果が物質の分布を研究するための主要なツールになるとはほとんど信じられていなかった。状況は大きく変わった。ユークリッドの打ち上げは、これを最も壮大に示している。2011年以降、このプロジェクトは欧州宇宙機関（ESA）のCosmic Visionプログラムの一環としてまだ検討中だったが、私はユークリッドの宇宙論コーディネーターの一人を務めてきた。これは、主に弱い重力レンズに関連するミッションの主要な特性を確立する責任を持つことを意味する。これには、画像の鮮明さの指定や銀河の形をどの程度正確に測定するかの指定が含まれていた。また、European Space Agency (ESA) との頻繁なやり取りを通じて科学的目標を明確にし、新しい知見に対処する方法を模索することも含まれていた。
エンジニアと科学者の大規模なチームの努力のおかげで、多くの技術的な障害を克服することができた。パンデミックを通じて協力を続け、ロシアのウクライナ侵攻によって予定していたロケットを失ったにもかかわらず – ユークリッドはソユーズロケットでの打ち上げが計画されていた – ESAは迅速に解決策を見つけた。SpaceXのFalcon 9による打ち上げである。その結果、私はフロリダにいて、これまでの研究の集大成と言えるものを目撃した。
ユークリッドの障害コース
それ以来、ジェットコースターのような乗り心地であった。7月に撮影された最初の画像は予想よりもノイズが多く、カメラに太陽光が入り込んだためであった。これは深刻な問題になる可能性があったが、最も可能性の高い原因 – 太陽シールドの背面に太陽光を反射する突出したスラスター – が迅速に特定され、解決策も見つかった。宇宙船をわずかに回転させることで、スラスターを衛星の影に置くことができた。しかし、これにより調査計画の完全な見直しが必要となった。
問題はそれだけではなかった。太陽からの放射線は常にEuclidを少しずつ押し、スラスターを使用して望遠鏡を完全に安定させる。これにより、必要なシャープな画像を撮影できる。しかし、太陽からの高エネルギー粒子が安定化システムに干渉し、望遠鏡を少し揺らすことがあった。これはソフトウェアのアップデートで解決された。最近では、望遠鏡内部の氷の蓄積が懸念されたが、この問題も成功裏に解決された。
その潜在能力を世界に示すために、11月にフォトジェニックな天体の「早期リリース観測」がいくつか公開された。私の研究に最も近いものはペルセウス座銀河団の観測結果である（図1）。この巨大な物質の塊の一部である大きな黄白色の銀河に加えて、Euclidはさらに5万の銀河の詳細な画像を提供する。このレベルの詳細は私の研究に必要であるが、これまでにそのような画像は2万5000のうち800しか手に入れていない！この作業は始まったばかりである：2024年2月15日、ユークリッドは主要な調査を開始し、次の2200日間にわたって空の写真を撮り続ける。この膨大なデータは、天文学者や全世界にとって数年間の宝の山となるであろう。例えば、IC 342のような数百の近くの銀河の構造を詳細に研究することができる。これらの画像は、将来の予告編に過ぎない。
コメント