NASAのGreat Observatories衛星シリーズは、1990 年から 2003 年にかけて打ち上げられた4 基の大型で強力な宇宙天文望遠鏡です。これらは、ガンマ線、X 線、可視光線、紫外線、赤外線など、 電磁スペクトルの特定の波長/エネルギー領域を調べるために、さまざまな技術を使用して構築されました。

ハッブル宇宙望遠鏡(HST)は、主に可視光と近紫外線を観測します。1990年にスペースシャトル・ディスカバリー号のSTS-31ミッションで打ち上げられましたが、主鏡の研磨が不適切だったため球面収差が発生し、望遠鏡の性能が低下しました。1993年のSTS-61整備ミッションで光学系は本来の品質にまで修正されました。1997年にはSTS-82整備ミッションで近赤外線領域の観測能力が追加され、2009年にはSTS-125整備ミッションで望遠鏡が改修され、耐用年数が延長されました。2026年1月現在も運用が継続されています。
コンプトンガンマ線観測所(CGRO)は、主にガンマ線を観測していましたが、硬X線も観測していました。1991年にSTS-37ミッションでアトランティスに搭載され打ち上げられました。2000年にジャイロスコープの故障により 軌道から外されました。
チャンドラX線観測衛星(CXO)は、主に軟X線を観測します。1999年にコロンビア号STS-93に搭載され、楕円軌道の高地球周回軌道に打ち上げられました。当初は先進X線天文観測施設(AXAF)と命名されていました。2026年1月現在も運用が継続されています。
スピッツァー宇宙望遠鏡(SST)は赤外線スペクトルを観測しました。2003年にデルタIIロケットで地球追尾軌道に打ち上げられました。 2009年に液体ヘリウム冷却材が枯渇したため機能が低下し、短波長撮像モジュールが2つしか残っていませんでした。2020年1月30日に運用が停止され、セーフモードに移行しました。
グレート・オブザバトリー計画の起源
グレート・オブザバトリー計画の構想は、1979年のNRC報告書「1980年代の宇宙天文学と天体物理学の戦略」で初めて提案された。[ 1 ]この報告書はグレート・オブザバトリー計画の基本的な基礎を築き、ピーター・マイヤー(1977年6月まで)、その後ハーラン・J・スミス(出版を通して)が議長を務めた。1980年代半ばには、フランク・マーティンやチャーリー・ペルランを含むNASA本部の天体物理学部門の部門長全員によって計画がさらに推進された。NASAの「グレート・オブザバトリー」計画では、地上システムではカバーできない異なるスペクトル領域をカバーするように設計された4機の独立した衛星が使用された。この観点から、提案されたX線および赤外線観測所は、ハッブル宇宙望遠鏡とCGROで始まった天文学計画の継続であり、競合相手や代替物としてではなく、適切に捉えることができた。[ 2 ] [ 3 ] NASAが発行し、NASA天体物理学部門とNASA天体物理学管理ワーキンググループ向けに作成された2つの説明文書には、一連の観測所の根拠とスペクトル全体にわたって対処できる問題が示されていました。[ 4 ] [ 5 ]これらは4台の望遠鏡の承認を獲得し維持するためのキャンペーンにおいて重要な役割を果たしました。
偉大な天文台
ハッブル宇宙望遠鏡
ハッブル宇宙望遠鏡の歴史は、天文学者ライマン・スピッツァーが論文「地球外天文台の天文学的利点」を執筆した1946年に遡ります。[ 6 ]スピッツァーはそのキャリアの多くを宇宙望遠鏡の推進に費やしました。
1966年から1972年にかけて実施された軌道天文台ミッションは、宇宙からの観測が天文学において果たす重要な役割を実証しました。1968年、NASAは3メートルの鏡を備えた宇宙反射望遠鏡(暫定的に大型軌道天文台または大型宇宙望遠鏡(LST)と呼ばれていました)の計画を策定し、1979年の打ち上げを予定しました。 [ 7 ]議会は最終的に1978年の予算として3,600万ドルを承認し、LSTの設計は1983年の打ち上げを目指して本格的に開始されました。1980年代初頭、この望遠鏡はエドウィン・ハッブルにちなんで命名されました。
ハッブル宇宙望遠鏡は当初、スペースシャトルによって回収・地球に帰還する予定だったが、回収計画は後に中止された。2006年10月31日、NASA長官マイケル・D・グリフィンは最終改修ミッションの実施を承認した。 2009年5月11日に打ち上げられたスペースシャトル・アトランティスによる11日間のSTS-125ミッションでは、[ 8 ]新しいバッテリーの取り付け、全てのジャイロスコープの交換、コマンドコンピュータの交換、いくつかの機器の修理、広視野カメラ3と宇宙起源分光器の設置が行われた。[ 9 ]
コンプトンガンマ線観測所
ガンマ線は、初期の宇宙ミッションによって大気圏上で調査されていました。1977年の高エネルギー天文台計画中に、NASAはガンマ線天文学のための「偉大な観測所」を建設する計画を発表しました。ガンマ線観測所(GRO)はコンプトンガンマ線観測所(CGRO)と改名され、1980年代の検出器技術の主要な進歩を利用するように設計されました。14年間の作業の後、CGROは1991年4月5日に打ち上げられました。[ 10 ]コンプトンガンマ線観測所の3つのジャイロスコープのうち1つが1999年12月に故障しました。観測所は2つのジャイロスコープで完全に機能していましたが、NASAは2つ目のジャイロスコープが故障すると、軌道減衰により地球に帰還する際に衛星を制御できなくなると判断しました。 NASAは2000年6月4日にコンプトンの軌道を事前に離脱させることを選択した。[ 11 ]再突入を生き延びた部品は太平洋に飛び散った。
チャンドラX線観測所
1976年、リッカルド・ジャコーニとハーヴェイ・タナンバウムがNASAにチャンドラX線観測衛星(当時はAXAFと呼ばれていた)を提案した。翌年、マーシャル宇宙飛行センター(MSFC)とスミソニアン天体物理観測所(SAO)で準備作業が開始された。その間の1978年、NASAは世界初の撮像X線望遠鏡であるアインシュタイン天文台(HEAO-2)を軌道に乗せた。チャンドラ計画は1980年代から1990年代にかけて続けられた。1992年、コスト削減のため宇宙船の設計が変更された。計画されていた12枚の鏡のうち4枚と、6つの科学機器のうち2枚が削除された。チャンドラの計画軌道は楕円軌道に変更され、月の最遠点の3分の1に達することになった。これにより、スペースシャトルによる改良や修理の可能性はなくなったが、観測所は軌道のほとんどを 地球の放射線帯の上空に置かれた。
スピッツァー宇宙望遠鏡
1970年代初頭までに、天文学者たちは地球の大気圏外に赤外線望遠鏡を設置する可能性を検討し始めました。初期の構想の多くは、NASAのスペースシャトルによる反復飛行を想定していました。このアプローチは、シャトル計画が最長30日間の週1回の飛行に対応できると想定されていた時代に開発されました。1979年、米国科学アカデミー国立研究会議の報告書「1980年代の宇宙天文学と天体物理学の戦略」において、シャトル赤外線望遠鏡施設(SIRTF)は「スペースラボ(スペースラボ搭載プラットフォーム)向けに開発される2つの主要な天体物理学施設の1つ」として挙げられました。
赤外線天文衛星( SIRTF)は、初の赤外線天文観測を行うために設計されたエクスプローラー級衛星の打ち上げにより、新しい赤外線検出技術を用いた機器への期待が高まりました。1983年9月までに、NASAは「長期(フリーフライヤー)SIRTFミッションの可能性」を検討していました。1985年のSTS-51-Fによるスペースラボ2号の飛行で、シャトルの環境は搭載型赤外線望遠鏡に適しておらず、フリーフライヤー設計の方が優れていることが確認されました。名称の頭文字は「シャトル」から「宇宙赤外線望遠鏡施設(SIRTF)」に変更されました。[ 12 ] [ 13 ]
スピッツァーは、グレート・オブザバトリーズの中で唯一、スペースシャトルで打ち上げられなかった天文台である。当初はスペースシャトルで打ち上げられる予定だったが、チャレンジャー号の事故後、太陽中心軌道への投入に必要となるセントールLH2 / LOX上段ロケットのシャトルでの使用が禁止された。タイタンとアトラスロケットはコスト上の理由から打ち上げが中止された。再設計と軽量化を経て、2003年にデルタIIロケットで打ち上げられた。打ち上げ前は宇宙赤外線望遠鏡施設(SIRTF)と呼ばれていた。2020年1月30日に運用終了となり、望遠鏡は停止された。
タイムライン
| NASA Great Observatorys プログラムのタイムライン |
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強み
地球の大気はX線、ガンマ線[ 14 ]、遠赤外線が地表に到達するのを妨げるため、コンプトン、チャンドラ、スピッツァーの各天文台には宇宙ミッションが不可欠でした。ハッブル宇宙望遠鏡は、大気圏の上にあることでも恩恵を受けています。大気圏があると地上からの非常に暗い天体の観測がぼやけて空間解像度が低下しますが、明るい天体は天文干渉計や補償光学を使用して地上からハッブル宇宙望遠鏡よりもはるかに高い解像度で撮影できます。地上に設置された大型の望遠鏡が、暗い天体の近赤外線波長の解像度でハッブル宇宙望遠鏡に匹敵したのはごく最近のことです。大気圏の上にあることで大気光の問題がなくなり、ハッブル宇宙望遠鏡は超暗い天体の観測が可能になります。地上の望遠鏡は超暗い天体の大気光を補正することができないため、非常に暗い天体は扱いにくく非効率的な露出時間が必要になります。ハッブル宇宙望遠鏡は、大気を透過しない 紫外線波長での観測も行えます。
各観測所は、電磁スペクトルのそれぞれの領域における最先端の技術を推進するように設計されました。コンプトン観測所は、以前のHEAOミッションで打ち上げられたどのガンマ線観測装置よりもはるかに大きく、全く新しい観測領域を開拓しました。20keVから30GeVのエネルギー範囲をカバーする4つの観測装置が搭載されており、それぞれの感度、解像度、視野を補完し合っていました。ガンマ線は、ブラックホール、パルサー、超新星など、様々な高エネルギー・高温源から放出されます。
チャンドラも同様に地上の先行衛星がなかった。チャンドラは、NASAのHEAO計画による3つの衛星、特に大成功を収めたアインシュタイン天文台に続く衛星である。アインシュタイン天文台は、斜入射X線光学系の威力を初めて実証し、コリメートされた機器(光学望遠鏡に匹敵)よりも桁違いに優れた空間分解能と、飛躍的な感度向上を実現した。チャンドラの大型、高軌道、そして高感度CCDは、非常に微弱なX線源の観測を可能にした。
スピッツァーは、地上望遠鏡ではほとんど観測できない波長域の観測も行っています。宇宙では、NASAの小型IRASミッションと欧州宇宙機関(ESA)の大型ISO望遠鏡が先行していました。スピッツァーの観測機器は、IRAS以来の赤外線検出器技術の急速な進歩と、大口径、良好な視野、そして長寿命という利点を組み合わせました。その結果、科学的な成果は非常に顕著でした。赤外線観測は、可視光がすべて赤方偏移して赤外線波長域にまで達する非常に遠方の天体、可視光をほとんど放射しない低温の天体、そして塵によって光学的に隠された領域の観測に不可欠です。
相乗効果
グレート・オブザーバトリーズ・プログラムは、ミッション固有の能力(特に地上観測所では再現できない感度)に加え、ミッション間の相互作用によってより大きな科学的成果をもたらします。天体はそれぞれ異なる波長で光りますが、2つ以上の観測所を1つの天体に向けることで、より深い理解が得られます。
高エネルギー研究(X線およびガンマ線)では、これまで中程度の画像解像度しかありませんでした。ハッブル宇宙望遠鏡、チャンドラ宇宙望遠鏡、コンプトン宇宙望遠鏡でX線およびガンマ線天体を研究すると、正確なサイズと位置のデータが得られます。特に、ハッブル宇宙望遠鏡の解像度では、対象が単独の天体なのか、親銀河の一部なのか、明るい天体が渦巻銀河の核、腕、またはハローにあるかどうかを判別できることがよくあります。同様に、スピッツァー宇宙望遠鏡の口径が小さいため、ハッブル宇宙望遠鏡はスピッツァー宇宙望遠鏡の画像により細かい空間情報を追加できます。2016年3月に報告されたように、スピッツァー宇宙望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡は、最も遠い既知の銀河GN-z11を発見するために使用されました。この天体は134億年前の姿で観測されました。[ 15 ] [ 16 ](最も遠い天体の一覧)
ハッブル宇宙望遠鏡による紫外線観測は、高エネルギー天体の時間的状態も明らかにします。X線とガンマ線は、現在の技術では可視光線や紫外線よりも検出が困難です。そのため、チャンドラ望遠鏡とコンプトン望遠鏡は、十分な光子を集めるために長い積分時間を必要としました。しかし、X線やガンマ線で光る天体は小さく、分単位または秒単位の時間スケールで変化する可能性があります。このような天体は、ハッブル宇宙望遠鏡やロッシX線タイミング・エクスプローラーによる追跡観測が必要になります。ロッシX線タイミング・エクスプローラーは、設計の違いにより、角度単位の秒単位または数分の1秒単位の詳細を測定できます。ロッシX線タイミング・エクスプローラーの最後のフル稼働年は2011年でした。
スピッツァーは塵や濃いガスを透過する能力があり、銀河核の観測に適しています。銀河の中心にある巨大な天体はX線、ガンマ線、電波で輝きますが、これらの雲に覆われた領域を赤外線で観測することで、天体の数と位置を明らかにすることができます。
一方、ハッブル宇宙望遠鏡には、すべての興味深い天体を観測できる視野も時間もありません。価値のある観測対象は、より安価な地上望遠鏡や、時には広大な天空域をカバーするために特別に設計された小型宇宙望遠鏡で見つかることが多いのです。また、他の3つの大天文台も、ハッブル宇宙望遠鏡の代替となる興味深い新天体を発見しています。
観測所の相乗効果の一例としては、太陽系と小惑星の研究が挙げられます。小さな衛星や小惑星などの小天体は、ハッブル望遠鏡でさえ直接分解するには小さすぎたり遠すぎたりするため、その像は大きさではなく明るさで決まる回折パターンとして現れます。しかし、ハッブル望遠鏡は天体のアルベドの情報から最小サイズを推測できます。スピッツァー望遠鏡は天体の温度(軌道からほぼ判明)の情報から最大サイズを判定できます。そのため、天体の真の大きさは括弧で囲まれています。スピッツァー望遠鏡によるさらなる分光分析によって天体表面の化学組成を判定できるため、アルベドの可能性が制限され、結果として低いサイズの推定がより明確になります。
宇宙の距離の梯子の反対側では、ハッブル、スピッツァー、チャンドラによる観測がグレート・オブザバトリーズ・オリジンズ・ディープ・サーベイで統合され、初期宇宙における銀河の形成と進化の多波長画像が得られました。
インパクト
4 つの望遠鏡はすべて、天文学に大きな影響を与えてきました。コンプトン、チャンドラ、スピッツァーによる高解像度、高感度の観測に新しい波長帯が開かれたことで、さまざまな天体に対する理解が根本的に変わり、何千もの新しい興味深い天体の発見につながりました。ハッブル望遠鏡は、可視波長では既存の装置に比べて感度と解像度の点でより控えめな改善をもたらしましたが、他の望遠鏡よりもはるかに大きな社会的影響とメディアの影響を受けてきました。ハッブルはいつでもあらゆる天体の均一な高品質画像を撮影できるため、多数の天体の正確な調査と比較が可能になりました。ハッブル ディープ フィールドの観測は、遠方の銀河の研究に非常に重要でした。なぜなら、この観測によって、これらの天体の静止フレーム紫外線画像が、より近い銀河の以前の紫外線画像と同数のピクセルで銀河全体にわたって提供され、直接比較できるからです。
偉大な天文台の後継者
- ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は2021年12月に打ち上げられ、ハッブル宇宙望遠鏡と同時に稼働している。[ 17 ]分割された展開可能なミラーはハッブル宇宙望遠鏡の2倍以上あり、角度分解能が著しく向上し、感度が劇的に向上している。ハッブル宇宙望遠鏡とは異なり、JWSTは宇宙論的距離にある塵を貫通するために赤外線で観測する。つまり、スピッツァーの能力の一部は継承されているが、ハッブル宇宙望遠鏡の能力の一部は可視光、特に紫外線波長で失われている。JWSTは近赤外線でスピッツァーの性能を上回っている。 2009年から2013年まで運用されていた欧州宇宙機関のハーシェル宇宙天文台は、遠赤外線でスピッツァーを上回っている。SOFIA(成層圏赤外線天文学観測所)空中プラットフォームは、近赤外線と中赤外線で観測した。SOFIAはスピッツァーよりも口径が大きかったが、相対感度は低かった。
- フェルミ・ガンマ線宇宙望遠鏡(FGRST)は、以前はガンマ線大面積宇宙望遠鏡として知られ、2008年6月11日に打ち上げられたコンプトン計画の後継機である。[ 18 ] FGRSTはより狭義に定義され、はるかに小型である。搭載されるのは主観測装置1つと、副実験装置である大面積望遠鏡(LAT)とガンマ線バースト監視装置(GBM)のみである。FGRSTは、2004年に打ち上げられたスウィフト計画と、その前身である2000年に打ち上げられたHETE-2計画によって補完されている。
- ルーベン・ラマティ高エネルギー太陽分光撮像装置(RHESSI)は、2002年2月の打ち上げから2023年4月の廃止までの間、コンプトンおよびチャンドラのいくつかの波長で観測を行いました。RHESSIは常に太陽に向けられていましたが、周辺視野に高エネルギー天体が時折観測されました。
- もう一つの大型高エネルギー観測所は、2002年に打ち上げられたヨーロッパの国際ガンマ線天体物理学研究所(INTEGRAL)です。コンプトン計画と同様の周波数で観測を行います。INTEGRALは、コンプトン計画とは根本的に異なる望遠鏡技術である符号化開口マスクを使用しています。そのため、その機能はコンプトン計画やフェルミ計画を補完するものです。
後期プログラム
- 「ビヨンド・アインシュタイン」計画は、科学の新たな分野の開拓を目指します。コンステレーションXとレーザー干渉計宇宙アンテナ(LISA)は、NASAによって現世代のものと区別するために「アインシュタイン・グレート・オブザーバトリーズ」と呼ばれています。しかし、これらはグレート・オブザーバトリーズ計画の一部ではありません。[ 19 ]
- 国際太陽地球物理科学イニシアチブ(ISTP)は、大観測所プログラムの精神を受け継ぎ、太陽と地球近傍の関連する電磁現象を研究するための機器群です。[ 20 ]
次世代の天文台
2016年、NASAは4つの異なるフラッグシップ宇宙望遠鏡の検討を開始しました。[ 21 ]これらは、居住可能な太陽系外惑星画像ミッション(HabEx)、大型紫外線光学赤外線サーベイヤー(LUVOIR)、オリジンズ宇宙望遠鏡(OST)、そしてリンクスX線観測衛星です。2019年に、4つのチームは最終報告書を米国科学アカデミーに提出します。米国科学アカデミーの独立した10年調査委員会は、NASAに対し、どのミッションを最優先すべきかについて助言を行います。[ 21 ]
NASAは2023年に、大型紫外線光学赤外線サーベイヤー(LUVOIR)とハビタブル・ワールドズ・イメージング・ミッション(HabEX)の提案を継承するハビタブル・ワールドズ・オブザーバトリー(HWO)を発表しました。 [ 22 ]また、政権はハビタブル・ワールドズ・オブザーバトリーの開発のためにグレート・オブザーバトリー成熟プログラムを作成しました。[ 23 ]
参照
- アインシュタインを超えるプログラム
- ハーシェル宇宙望遠鏡(遠赤外線宇宙観測衛星、2009年~2013年)
- 宇宙望遠鏡のリスト
注釈と参考文献
- ^ 1980年代の宇宙天文学と天体物理学の戦略. ワシントンD.C.: 全米科学アカデミー出版. 1979. doi : 10.17226/12377 . ISBN 978-0-309-12341-9。
- ^スターン、デイビッド・P. (2004年12月12日). 「太陽を新たな光で見る」 .天文観測者から宇宙船まで. NASAゴダード宇宙飛行センター. 2007年12月7日閲覧。 この記事には、パブリック ドメインであるこのソースからのテキストが組み込まれています。
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- ^ハーウィット、マーティン、ニール、ヴァレリー(1986年1月9日)「宇宙天体物理学のための偉大な観測所」(PDF) NASA文書番号21M585NASA。
- ^ハーウィット、マーティン、ニール、ヴァレリー(1991年1月1日)「宇宙天体物理学のための偉大な観測所」(PDF) NASA文書番号NP-128NASA。
- ^ Spitzer, L.,プロジェクト・ランドへの報告書:地球外天文台の天文学的利点、 Astronomy Quarterly第7巻、131ページ、1990年に再録
- ^スピッツァー、ライマン・S(1979)、「宇宙望遠鏡の歴史」、王立天文学会季刊誌、第20巻、29ページ
- ^ 「NASA、スペースシャトルの目標打ち上げ日を更新」 NASA。2017年5月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年5月22日閲覧。
- ^ボイル、アラン (2006年10月31日). 「NASA、ハッブル宇宙望遠鏡の救出にゴーサイン」 NBCニュース. 2013年11月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年1月10日閲覧。
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- ^注:宇宙からのガンマ線は、イメージング・エア・チェレンコフ法(IACT)と呼ばれる手法によって地上から間接的に検出することができます。この手法は1968年にホイップル天文台によって初めて実用化され、それ以来、様々な国で新しい望遠鏡が建設されてきました。
- ^ 「ハッブル宇宙望遠鏡、宇宙距離記録を破る」スピッツァー宇宙望遠鏡、NASA、2016年3月3日。 2016年12月14日閲覧。 この記事には、パブリック ドメインであるこのソースからのテキストが組み込まれています。
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- ^ a b Scoles, Sarah (2016年3月30日). 「NASA、次期主力宇宙望遠鏡を検討中」 . Scientific American . 2017年10月15日閲覧。
- ^ 「ハビタブル・ワールド・オブザーバトリー」 NASA、2023年12月11日。 2024年6月4日閲覧。
- ^ 「Great Observatory Maturation Program」 NASA 2024年6月4日閲覧。
さらに読む
- Armus, L.; et al. (2021). 「偉大な天文台:パンクロマティック天体物理学の過去と未来」. arXiv : 2104.00023 [ astro-ph.IM ].
外部リンク
- 「飛行前ビデオ(STS-93)」 NASA。2002年4月9日。2007年12月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年11月27日閲覧。STS
-93の主要ペイロードであるチャンドラX線観測衛星を含む、NASAの大型観測衛星群の詳細な説明。
- STS-125: ハッブル宇宙望遠鏡への最後のシャトルミッション 2015年7月16日アーカイブ- Wayback Machine
- WorldWide Telescope を使用したインタラクティブな天文台
