NASAナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡の光学系設計と検証

NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡の主鏡と副鏡の間に吊り下げられたダイビングボードの上に光学技術者が横たわっています。この写真は、望遠鏡の光学経路を通じて投影された反射像です。技術者が光ビームを光学系に照射し、広視野装置（Wide Field Instrument）の将来的な位置に向けて、宇宙からの光が打ち上げ後にどのように望遠鏡を通過するかを示しています。（画像：NASA/Chris Gunn）

ミッションの概要

2027年5月以降の打ち上げを予定しているNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、遠方の数十億個の銀河を撮像し、ダークマター、超新星、その他の宇宙現象の謎を探る強力な「深宇宙の目」として機能します。

ローマン宇宙望遠鏡の主目的は、広い天領域を高精度で迅速かつ繰り返し観測し、通常の（バリオン）物質とダークマターの分布をマッピングし、様々な時代の宇宙膨張率を測定してダークエネルギーを探ることです。この情報は、宇宙の起源を理解し、急速に膨張する宇宙の遠い未来に何が起こるかを予測する上で不可欠です。また、大規模サーベイを用いて他の恒星周りの惑星系を研究し、太陽系のようなシステムが一般的か、稀か、あるいはユニークかを明らかにします。

NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡の光学望遠鏡アセンブリ（OTA）を示す写真です。これは最近、メリーランド州グリーンベルトのゴダード宇宙飛行センターにある同機関最大のクリーンルームに納入されました。（画像：NASA/Chris Gunn）

主要マイルストーン：OTAの納入

2024年11月、完全に完成し試験済みの光学望遠鏡アセンブリ（OTA）がL3HarrisからNASAへ納入され、主要なプログラムマイルストーンが達成されました。このハードウェアは観測所の「目」として機能し、宇宙からの光を収集・調整してミッションの2つの機器で使用できるようにします。

NASAの信頼できるパートナーとして、L3HarrisはOTAの設計、製造、統合、試験を担当しました。これには、直径2.4メートル（8フィート）の主鏡、その他9枚の小型ミラー、ミラー同士を整列させる堅牢な構造、そして過酷な宇宙環境で望遠鏡を機能させるために必要な多数のサポートシステムが含まれます。

極限の光学安定性を実現する技術

プログラム開始当初から、OTAはNASAと科学コミュニティがこのミッションに求める困難で独自のニーズを満たすよう開発されてきました。望遠鏡チームの主要な焦点の一つは、ミッションに必要な極限の光学安定性を実現する技術の開発でした。これには、これまで達成されていなかったよりも低い熱膨張係数（CTE）を持つ新しい独自のカーボン複合材料の開発が含まれます。そのCTEは非常に低いため、その特性を測定する新しい技術を開発する必要がありました。この材料でサッカーフィールドほどの長さの部品を作った場合、温度を華氏100度（摂氏55度）変化させても、長さの変化はわずか100ミクロン（人間の髪の毛の幅程度）にすぎません。

NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡の光学系全体を示す写真です。ベースに見える7.9フィート（2.4メートル）の主鏡を含む10枚のミラーで構成され、イメージング光学アセンブリ（IOA）と呼ばれます。（画像：NASA/Chris Gunn）

このような安定した材料を使用しても、望遠鏡の温度を一定に保つことはミッション目標達成に不可欠です。L3Harrisは、望遠鏡の異なる部分が太陽の猛烈な熱にさらされるか、あるいは宇宙のほぼ絶対零度の環境に直面する状況でも、望遠鏡の主要領域を数千分の1度セ氏の精度で安定に保つ、新しい温度検知・制御アーキテクチャを開発しました。この最先端の熱制御システムにより、望遠鏡内の構造と光学系が超安定（波面誤差のサブナノメートル級変化）を維持し、熱的極限環境下でも精密な科学観測を継続できます。

地球重力と宇宙環境の差を予測・補正

OTAは、地球から100万マイル離れた最終運用軌道に到達した時点で最適な光学性能を発揮するよう設計されています。つまり、地球上での微小な重力の影響や、望遠鏡が動作温度まで冷却される際の変化さえも設計段階で考慮する必要がありました。L3Harrisのエンジニアたちは、望遠鏡が地球上の常温・重力環境から、宇宙の零重力・極低温環境へ移行する際に生じる変化を予測するため、広範なシミュレーションを実施しました。これらの予測される変化は、望遠鏡光学系の設計、製造、アライメント工程で織り込み済みです。さらに、主要な光学素子を可動式とすることで、予測に含まれない未知の変化に対しても補正可能としています。

NASAの初代天文学・太陽物理学部長にちなんで名付けられたナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡の完成予想CG。（画像：NASA）

ナノメートル精度の最終アライメントと環境試験

2024年初頭、OTAは各ミラーの最終光学アライメントという重要なフェーズに入りました。10枚の光学素子を互いに対して微小精度で整列・位置決めし、永久的に固定する必要があります。人間の髪の毛の幅の10分の1ほどのわずかなアライメント誤差でも、望遠鏡の撮像性能を低下させます。この極限のアライメント精度を達成するため、干渉計と呼ばれる特殊なカメラシステムを用いて、ミラーをナノメートルレベルの精度で監視し、この重要なアライメント工程中にフィードバックを行いました。

最終アライメント後、望遠鏡はロケットの先端に搭載されて打ち上げられる際に経験する極限環境を網羅する厳格な動的試験を受けました。これには、ジェットエンジンのすぐ横に立ったときよりも大きな音響レベルへの曝露、戦闘機パイロットが高G機動で経験する数倍の加速力への曝露が含まれます。

OTAがパスしなければならない最終試験は熱真空試験で、システムの性能が宇宙で経験する過酷な環境を模擬した条件下で評価されました。この試験は、ニューヨーク州ロチェスターのL3Harris施設にある大型真空チャンバーで実施されました。チャンバーの内壁は液体窒素で冷却され、望遠鏡は華氏-120度（摂氏-85度）まで冷却されました。OTAは所望の温度を維持しながら、全要件を余裕を持って満たす優れた光学性能を実証しました。この試験の成功を受け、OTAはNASAゴダード宇宙飛行センターへ納入され、科学機器と宇宙機バスとの統合が行われます。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡との連携

ローマン宇宙望遠鏡が打ち上げられると、太陽から見て地球の真後ろ150万キロメートル（100万マイル）にあるL2ラグランジュ点を周回するNASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡と合流します。ローマンはウェッブ望遠鏡と連携して補完的な科学観測を行い、どちらのミッション単独では不可能な宇宙論的現象へのより深い洞察を得るよう設計されています。ローマン宇宙望遠鏡は、ハッブル宇宙望遠鏡と同等の分解能で広い天領域を撮像できますが、その速度はハッブルの1000倍です。これにより、極めて高精度な広域サーベイが可能となり、ウェッブ望遠鏡の観測ターゲットを特定できます。

また、ローマンはこれまでに建造された大型宇宙望遠鏡の中で最も安定しており、ウェッブの少なくとも10倍、ハッブルの100倍の安定性を誇ります。この光学安定性は、これまで不可能だった方法で宇宙論の基礎理論を検証することを可能にするシステムの重要な特徴です。さらに、超安定望遠鏡とコロナグラフを組み合わせることで、NASAの次期旗艦天体物理学ミッション「ハビタブル・ワールド天文台」および生命を支える惑星を発見するというその目標への道筋となる主要技術を実証します。

L3HarrisとNASAの長期的パートナーシップ

ローマン宇宙望遠鏡OTAの納入は、L3HarrisとNASAの長年にわたるパートナーシップにおける最新のマイルストーンです。60年以上にわたり、L3Harrisは宇宙探査を前進させる最先端の撮像システムとその他のソリューションを提供してきました。ハッブル、チャンドラ、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡から国際宇宙ステーション、火星探査車まで、L3HarrisはNASAと共に歩み、人類の発見の限界を押し広げ続けています。

本記事は、L3Harris Technologies（ニューヨーク州ロチェスター）のチーフシステムエンジニア、ピーター・ミラー氏によって執筆されました。詳細についてはこちらをご覧ください。