大きな望遠鏡が欲しい

中 川 貴 雄

　ところが，私の専門である赤外線天文学では，「大きな望遠鏡」を衛星に搭載することが，大変に困難でした。赤外線天文衛星では，高感度の観測を行うために，-270℃前後という極低温まで観測機を冷却します。その冷却には，今までは液体ヘリウムが用いられてきました。しかしこの液体ヘリウムが曲者なのです。その保持のために，巨大なタンクと重い真空容器が必要になるのです。そのため，衛星の限られた重量のもとでは，比較的小口径の望遠鏡しか搭載できなくなってしまうのです(図１の左)。しかも，液体ヘリウムが全て蒸発してしまえば，もはや観測を続けることができなくなってしまいます。

　なんとか，「大きな望遠鏡」を衛星に搭載できないものでしょうか。

　そこで考えました。液体ヘリウムを搭載しなければ良いのです。液体ヘリウムがなければ，巨大なタンクも無骨で重い真空容器も不要になり，衛星は画期的に軽量化されるはずです。逆に言えば，衛星全体の重量が同じならば，従来よりもはるかに大口径の望遠鏡の搭載が可能になるはずです(図１の右図)。

図１：(左）従来の赤外線天文衛星のデザイン。
　　　(右）新しい赤外線天文衛星のデザイン。

　しかし，それでは，どうやって液体ヘリウムなしで望遠鏡を冷却するのでしょうか。

　まずは，放射冷却の徹底的な活用です。そのために，地球周回衛星とすることは止め，放射冷却がより有効に働く軌道を選ぶこととしました。具体的には図２に示すような「太陽‐地球系が作るラグランジュ点の一つＬ２」に衛星を投入することを考えました。Ｌ２では，地球と太陽がほぼ同じ方向に見え，お互いの位置関係が変わりません。したがって，太陽，地球からの熱放射を完全に遮ることが可能になります。残るは-270℃の極低温の宇宙のみです。放射冷却は非常に有効に働くはずです。

図２：太陽 - 地球系が作る５つのラグランジュ点。　
　　　このうちL2が赤外線天文衛星に最も適した軌道。

　ただし，放射冷却は低温ほど効率が悪くなります。したがって，本当の極低温を達成しようとすると，放射冷却だけでは不十分です。それに加えてもう「一押し」が必要です。そこで，その「一押し」として機械式の冷凍機を採用することを考えました。簡単なモデル計算をしてみると，冷凍機に要求される能力は，放射冷却さえ有効に働いていれば，かなり小さな値に抑えられることもわかりました。

　このデザインを採用すれば，液体ヘリウムなしの冷却望遠鏡が実現できます。タンクも真空容器も不要となりますから，画期的な大口径の望遠鏡の搭載が可能になるはずです。例えば，夢は大きく，H - II Aロケットをまるごと一本使うとすると，上記のデザインを採用すれば，口径3.5mという画期的な大口径(ちなみにASTRO-Fは口径70cm)の望遠鏡の搭載が可能になります(図３)。この望遠鏡を約-270℃の極低温に冷却するために，機械式冷凍機に要求されるのは，わずか30mWの冷却能力。十分に実現可能な値です。液体ヘリウムを搭載していませんから，機械式冷凍機が動いている限りは，いつまでも観測を続けることができます。

　このミッションが実現すれば，従来とは全く質の異なる観測が可能になります。宇宙で最も初期の星の光もとらえることも可能となり，宇宙の歴史の解明は大いに進むことでしょう。

(なかがわ・たかお)　

図３：新しい赤外線望遠鏡の概念図。背景に見えているのは，太陽と地球。