NASA のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡の光学系のエンジニアリングと検証

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飛び込み台の上に横たわる光学技術者。写真は望遠鏡の光路を通した投影された反射です。技術者は、光学システムを通して広視野装置の将来の位置に向けて光線を照射し、ミッション開始後に宇宙源からの光がどのように望遠鏡を通過するかを示します。 (画像:NASA/クリス・ガン)

アメリカ航空宇宙局 (NASA) のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡は、遅くとも 2027 年 5 月までに打ち上げられ、深宇宙の強力な目として機能し、何十億もの遠方の銀河の画像を撮影し、暗黒物質、超新星、その他の宇宙現象の謎を探求します。

ナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡の主な目的は、空の広い領域を高精度で迅速かつ繰り返し調査して、通常の (バリオン) 物質と暗黒物質の分布を地図にまとめ、さまざまな時代の宇宙膨張率を地図にまとめて暗黒エネルギーを調査することです。この情報は、宇宙の起源を理解する上で重要であり、急速に拡大する宇宙の遠い将来に何が起こるかを科学者が理解するのに役立ちます。また、大規模な調査を利用して他の恒星の周りの惑星系を研究し、私たちのような太陽系が一般的なのか、珍しいのか、あるいはおそらくユニークなのかを知る予定です。

この写真は、NASA のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡用の光学望遠鏡アセンブリを示しています。このアセンブリは最近、メリーランド州グリーンベルトにある NASA のゴダード宇宙飛行センターの最大のクリーン ルームに納入されました (画像:NASA/Chris Gunn)

2024 年 11 月に、完全に完成しテストされた光学望遠鏡アセンブリ (OTA) が L3Harris から NASA に引き渡され、プログラムの主要なマイルストーンが達成されました。このハードウェアは天文台の「目」として機能し、ミッションの 2 つの機器で使用できるように宇宙からの光を収集して調整します。

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、テストを担当しました。これには、直径 2.4 メートル (8 フィート) の主鏡と他の 9 つの小さな鏡、鏡を互いに位置合わせするための堅牢な構造、および宇宙の過酷な環境で望遠鏡が動作できるようにするために必要な多数のサポート システムが含まれます。

プログラムの開始時から、OTA は、NASA と科学コミュニティがこのミッションに対して提示した、困難で独特のニーズを満たすために開発されてきました。望遠鏡チームが主に焦点を当てた分野の 1 つは、ミッションの極度の光学的安定性のニーズを満たすシステムを提供するために必要な技術を開発することでした。これには、これまでに達成されていたものよりも低い熱膨張係数 (CTE) を備えた新しい独自のカーボン複合材料の開発が含まれていました。熱膨張係数が非常に低いため、その特性を測定するために新しい技術を開発する必要がありました。 CTE が非常に低いため、サッカー場ほどの長さのこの素材は、温度が華氏 100 度 (摂氏 55 度) 変化しても、長さは 100 ミクロン (人間の髪の毛の幅) しか変化しません。

この写真は、NASA のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡の光学システム全体を示しています。これは、この画像の底部にある 7.9 フィート (2.4 メートル) の主鏡を含む 10 枚の鏡で構成されており、これは結像光学アセンブリ (IOA) と呼ばれます。 (画像:NASA/クリス・ガン)

このような安定した材料を使用しても、ミッションの目的を達成するには望遠鏡の温度を一定に保つ必要があります。 L3Harris は、天文台のさまざまな部分が太陽の猛烈な熱にさらされたり、宇宙空間の絶対零度に近い温度にさらされているときでも、望遠鏡の主要な領域を摂氏数千分の 1 度まで安定に保つことができる新しい温度感知および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状態（波面誤差のサブナノメートル変化）を維持し、さまざまな極端な熱にさらされている場合でも、正確な科学測定を提供し続けることが保証されます。

OTA は、地球から 100 万マイル離れた最終運用目的地に到着すると、最適な光学性能が得られるように設計されています。つまり、設計では、地球上の重力や望遠鏡が動作温度まで冷えることによるわずかな影響も考慮する必要がありました。 L3Harris のエンジニアは、室温での地球の重力から宇宙の冷たい無重力環境に移行する際に望遠鏡内で起こる変化を予測するために広範なシミュレーションを実行しました。これらの予想される変化は、望遠鏡光学系の設計、製造、調整時に考慮されます。さらに、いくつかの主要な光学系を移動して、予測内の未知数を修正することができます。

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、完成したナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡のコンピューター生成レンダリング。 （画像：NASA）

OTA は、さまざまなミラーの最終的な光学調整が実行されるため、2024 年の初めに重要な段階に入りました。このため、10 個の光学部品を顕微鏡の精度で相互に位置合わせして位置決めし、所定の位置に永久にロックする必要がありました。人間の髪の毛の幅の 10 分の 1 という小さな誤差でも、望遠鏡の結像性能が低下します。このような極めて高い位置合わせ精度を達成するために、干渉計と呼ばれる特殊なカメラ システムを使用してミラーをナノメートル レベルの精度で監視し、この重要な位置合わせプロセス中にフィードバックを提供しました。

最終的な調整後、望遠鏡は、ロケットの上部に設置されて宇宙に打ち上げられる際に経験する極限環境を含む厳しい動的テストを受けました。これには、戦闘機のパイロットが高重力操縦中に経験するよりも数倍高い加速力だけでなく、ジェットエンジンの隣に立って経験される音響レベルよりも大きな音響レベルに望遠鏡をさらすことが含まれていました。

OTA が合格する必要がある最後のテストは熱真空テストで、OTA が宇宙で経験する過酷な環境をシミュレートする条件にさらされてシステムの性能が評価されました。このテストは、ニューヨーク州ロチェスターにある L3Harris 施設の大きな真空チャンバーで行われました。真空チャンバーの内壁は液体窒素で冷却されて極寒の環境となり、望遠鏡は華氏マイナス 120 度 (摂氏マイナス 85 度) まで冷却されました。 OTA は、すべての要件を余裕を持って満たす絶妙な光学性能を提供しながら、必要な温度を維持する能力を実証しました。このテストが正常に完了した後、OTA は NASA ゴダード宇宙飛行センターに引き渡され、科学機器や宇宙船と統合されました。

ローマ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) の L2 ラグランジュ点を周回する NASA のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に加わります。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うように設計されており、どちらかのミッションが単独で達成できるよりも宇宙論的現象についてのより深い洞察が得られます。ローマ宇宙望遠鏡は、ハッブル宇宙望遠鏡と同様の解像度で空の広い領域を画像化することができますが、その速度はハッブル宇宙望遠鏡の 1000 倍です。これにより、空の広い領域を非常に正確に調査して、ウェッブ宇宙望遠鏡の対象ターゲットを特定できるようになります。

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性が高く、ウェッブより少なくとも 10 倍、ハッブルよりも 100 倍安定しています。この光学的安定性は、科学者がこれまで不可能だった方法で宇宙論の基本理論をテストできるようにするシステムの重要な特徴です。そして、この超安定望遠鏡がコロナグラフと組み合わされると、NASA の次の主力天体物理学ミッションであるハビタブルワールド天文台と、生命が存在できる可能性のある惑星を発見するという目標に向けた重要な機能が実証されます。

ローマ宇宙望遠鏡 OTA の納入は、L3Harris と NASA と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イメージング システムおよびその他のソリューションを提供してきました。ハッブル望遠鏡、チャンドラ望遠鏡、ジェームズ ウェッブ望遠鏡から国際宇宙ステーションや火星探査機に至るまで、L3ハリスはあらゆる段階で NASA と協力し、人類発見の限界を押し広げてきました。

この記事は、L3Harris Technologies (ニューヨーク州ロチェスター) のチーフ システム エンジニアである Peter Miller によって書かれました。詳細については、 ここをご覧ください。