天文学者らは、新しい望遠鏡は「宇宙船モデル」を活用すべきだと主張 – Ars Technica

アメリカの主要な天文学者の間では、NASA の次の偉大な天文台の波は、SpaceX の Starship のような巨大な新しいロケットによってもたらされる革新的な揚力能力を活用すべきだということで意見が一致しています。

例えば、探査機でジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を引き続き打ち上げれば、通常は複雑さとコストの増加につながる、質量とサイズに関連する厄介な制約からミッションを解放できる可能性があると、3人の天文学者からなる委員会は述べた。 彼は最近、全米アカデミー天文学・天体物理学委員会に対してこのことを述べた。。

NASA ジェット推進研究所の天文学および物理学の主任科学者であるチャールズ・ローレンス氏は、「より低いコストで、より大きな質量と容積の能力を備えれば、設計領域が広がります」と述べています。 「我々はそれを活用したいと考えています。」

ローレンスのプレゼンテーションでは、大型の新しい打ち上げロケットが将来の天文学ミッションに与える影響について取り上げました。 このプレゼンテーションは先週、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者マーティン・エルビス氏とマサチューセッツ工科大学の天体物理学者兼惑星科学者サラ・シーガー氏とともに行われた。 ローレンス、エルヴィス、シーガーが作曲したA 今年初めに『Physics Today』誌に論文が掲載されました このトピックについて話し合ってください。

既存のロケットの数分の 1 キログラムあたりのコストで 100 トンを超える重量を宇宙に持ち上げることができる宇宙船の能力があれば、広範な宇宙産業の運営方法が変わるだろうということは広く認識されています。 宇宙船の直径は 9 メートル (ペイロードに直径 8 メートルを使用可能) で、これは既存のロケットのペイロード容積のほぼ 2 倍の幅です。

しかし、天文学者たちは、次世代の大型宇宙望遠鏡を持ち上げるために利用できる、スターシップや、ペイロードがわずかに小さい7メートルのブルー・オリジン社のニュー・グレンのようなロケットの計画に真剣に取り組んでいる。

大きな発射台に大きな望遠鏡

2021年、国立アカデミーは 10年に一度レビューを発行する 天文学と天体物理学は、アメリカの科学界にとって最優先事項です。 「Astro2020」として知られるこの調査で、著名な科学者委員会は、NASAがハッブルやチャンドラなどに続く次期一連の「偉大な天文台」のための技術と設計の開発に2020年代の大部分を費やすロードマップを示した。 ジェームズ・ウェッブとルーマニア宇宙望遠鏡は、2027 年に打ち上げられる予定です。

NASA の方針は、可能な限り科学界の勧告に従うことです。 この 10 年代の終わりに向けて、NASA はこれらの新しい望遠鏡の開発を正式に開始する準備が整うと考えられています。 1つ目は、ハビタブルワールド天文台と呼ばれる大型望遠鏡で、幅約6メートル（20フィート）の主鏡と星の光を遮るコロナまたは星の影を備えたウェッブ望遠鏡と同様の大きさで、周囲の惑星を直接観察できるようになります。他の惑星。 恒星、または系外惑星。 これはWebbでは利用できない機能です。

ハビタブルワールド天文台は、赤外線、可視光線、紫外線の波長の光に感受性があり、地球に似た系外惑星で生命を支える構成を持つ世界を監視する任務を負う。 その後、NASAは星、ブラックホール、銀河の形成を研究するために同様の野心的な遠赤外線望遠鏡とX線望遠鏡を打ち上げるべきであり、科学者らは2021年にそれを推奨している。

これらの数十億ドル規模の新たな大型ミッションは、2040 年代まで打ち上げられません。 これは「妨げとなるタイムライン」である、とエルヴィスと彼の同僚は今年初めに発表した論文で述べた。 「今日新設された新しい博士号は、最初の天文台が打ち上げられるまでに退職まであとわずか10年しかないでしょう。」

NASAにはすぐに打ち上げる予算はなく、新しい望遠鏡を実現するには光学系、検出器、材料の革新が必要だ。

科学者らは、新しい大型ロケットの登場により、こうした技術的ハードルの一部が軽減される可能性があると述べた。 最終的には、設計が簡素化され、コストが削減され、おそらく次の優れた天文台の開発と建設に必要な時間が短縮される可能性があります。 おそらく、2040年代まで発売を待つ必要はないでしょう。 これらは、国立アカデミーからの暫定的な見積もりがハビタブルワールド天文台の建設に約 110 億ドルの費用がかかることを示しているときに重要な要素です。

「設計は発射装置、希望する軌道に利用できるサイズと質量によって非常に制約されるため、必然的に複雑さとコストが増加します」とイルヴス氏は述べた。

今後数年間で、これらの新しい望遠鏡の初期設計に取り組む技術者は、宇宙へのミッションを打ち上げるために利用できるロケットの種類についての想定を再評価する必要があるとエルビス氏は述べた。

「私たちは、オープンな設計空間を活用するために、新しいスターシップモデル、またはその他の大型打ち上げモデルで、3つのAstro2020旗艦すべて、そのペイロードおよび宇宙船について研究を実施することを提案します」とエルビス氏は先週述べた。

「大きな疑問は、我々が特定した大幅なコスト削減は本当に妥当なのか、そしてその結果、Astro2020を加速させることができるのかということだ。」 彼が追加した。

ミサイルの横暴

ロケットの能力によって課せられる制限を説明するために、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡に戻りましょう。 ウェッブは、エンジニアが最初にウェッブを設計したときに利用可能なロケットの中で最大のペイロードエンベロープを備えていたアリアン 5 ロケットの直径約 5 メートルのペイロードフェアリング内に収まる必要がありました。 これは、望遠鏡の 18 個の主鏡セグメントを折りたたむ必要があることを意味し、設計者は、太陽の熱と望遠鏡からの光を遮断するために、薄っぺらだが効果的な断熱材で作られた、テニスコートほどの大きさの 5 層のサンシェードを作成しました。 2021 年の打ち上げ時にウェッブがロケットの範囲内に収まるようにするには、すべてをまとめる必要がありました。

スターシップやニューグレンのような大型ロケットを使えば、将来の望遠鏡は均一なミラーを使用できるようになり、分割されたミラーの必要性がなくなります。 一部のアプリケーションにはセグメント化されたミラーの方が優れている可能性があることを示唆する科学的な議論がありますが、まだ結論は出ていません。 また、故障しやすい複雑な展開可能なサンシェードを必要とする代わりに、技術者は望遠鏡全体を包み込む、より大きくて硬い天蓋を取り付けることができました。

科学者らは、「スターシップ」のような巨大ロケットで打ち上げられれば、望遠鏡の鏡はより厚く重くなる可能性があり、つまり製造や研磨が容易になると述べた。 ロケットが重くなると、宇宙船の設計者は電力を追加するためにより大きなソーラーパネルを追加できるようになる可能性がある。 追加の電力により、宇宙船はより冗長性のある安価な電子機器を使用できるようになる可能性があるとエルビス氏は述べた。

「ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡から学んだ最大の教訓の一つは、ロケットを事前に詳細に理解することの重要性でした」とウェッブ社の光学部長であり、居住可能世界天文台を研究する技術評価グループの共同リーダーであるリー・フェインバーグ氏は述べた。 ここで重要な点は、柔軟性が必要であるということです。 「私たちが使命を果たせるまでには20年以上かかります。」

2040年代にどんなミサイルが飛んでくるか誰にも分からない。 数年後に打ち上げが予定されているローマ宇宙望遠鏡については、NASA関係者らは複数のロケットの中から選択できるだろうと考えていた。 NASAが打ち上げ請負業者を選ぶ必要があるときに、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスのバルカンやブルー・オリジンのニュー・グレンのような新しいロケットの準備ができていなかったことが判明した。 仮に、ファルコン・ヘビー・ロケットで打ち上げるという契約がスペースXに渡された。

NASA ゴダード宇宙飛行センターのエンジニア、ファインバーグ氏は「これはロケットにおける柔軟性の重要性を本当に浮き彫りにしている」と語った。 彼は最近、SpaceX と Blue Origin と会談しました。 「我々の現時点での見解は、ニュー・グレンとスターシップは有望に見えるということだ」と彼は語った。

他にも新型ミサイルはある。 NASA の宇宙打ち上げシステムは、検討することさえできないほど高価です。 「ULAの新しいバルカンには、これより大きなフェアリングがないので、それについては考えもしませんでした」とエルビスは語った。

宇宙船が解決策になるのか？

研究によると、この宇宙船は直径が広くなっているため、ハビタブルワールド天文台用に検討されているものなど、さまざまな望遠鏡の設計に対応できることがわかっています。 宇宙船は、約6メートルの主鏡を折り畳んだり広げたりして横向きにしたり、上向きにしたりして天文台を打ち上げることができる。

「私たちが発見したのは、スターシップでは本当に柔軟性が高いということです」とファインバーグ氏は先週の全米アカデミー委員会の会合で述べた。

もちろん、スターシップとニュー・グレン宇宙船はまだ軌道に到達しておらず、NASA の主要ミッションを打ち上げる資格を得るにはまだ数回の飛行が必要です。 しかし、NASAが豪華な新しい搭載天文台を打ち上げ準備を整えるまで、SpaceXとBlue Originは新しいロケットの信頼性を証明するのに20年かかる。

「私たちの最初の素晴らしい天文台が打ち上げられるまでに、探査機は数回打ち上げられており、それによって判断できる記録が残っているでしょう」とシーガー氏は語った。

また、2030年代や2040年代にスターシップやニュー・グレンを打ち上げる費用がいくらになるのかも明らかではないが、おそらく数十億ドルの天文台の総費用のほんの一部に過ぎないだろう。

これらの望遠鏡を L2 ラグランジュ点に向けて深宇宙に送り込み、地球からの干渉を受けずに宇宙を観察するには、探査機は軌道上で燃料を補給する必要があります。 フェインバーグ氏によると、NASAの光学専門家らは、燃料補給の過程で望遠鏡の高感度ミラーが汚染される可能性があるかどうかについて疑問を抱いているという。 地球低軌道で宇宙船への燃料補給を待っている望遠鏡も、極端な温度変動にさらされる可能性があり、損傷の危険にさらされる可能性がある。

「これらはすべて、今後数年間にわたって私たちが理解する必要がある考慮事項です」とファインバーグ氏は述べた。 「（SpaceXに）詳細を尋ねると、彼らがこれらのことを理解したら教えてくれるような気がしますが、今のところ彼らは私たちにこれらのことを教えてくれません。ニューグレン側では状況が異なります。彼らがどこで何をしているのかということです」 （初飛行で）打ち上げを計画していると、L2に到達する可能性があるため、彼らは非常に近いところにいます。」

最終的に、NASAが次世代宇宙望遠鏡の大型化を望むのであれば、スターシップは最大幅10～12メートルの折り畳んだ鏡を搭載できる可能性があるとファインバーグ氏は述べている。 ニューグレンの場合、上限は8メートル程度になりそうだ。 鏡が大きくなると望遠鏡の集光領域が増加し、より小さく暗い天体を見るための解像度が向上します。

エルビス氏は、「私たちは新たな状況に陥っていると思う。これらの打ち上げ機は宇宙で私たちができること、そしてそのコストを変える。ミッションを設計する方法は完全に変わった。」と語った。