30m光学⾚外線望遠鏡計画TMT

報告者︓⾅⽥ 知史(⾃然科学研究機構国⽴天⽂台・TMTプロジェクト)1

光⾚天連をはじめとする研究者の広範な⽀持を受けた計画の推進

2

北半球における次世代超⼤型望遠鏡の必要性は光⾚外線天⽂学コミュニティの総意として繰り返し表明されてきた。すばる望遠鏡を⽤いた研究分野の広がりを受け、惑星科学や宇宙物理学等の分野でもTMTは次期⼤型計画として認知されている。
• 2006年11⽉︓光⾚外線天⽂連絡会（光⾚天連）提⾔「地上30m級光学⾚外線望遠鏡計画の推進について」• 2016年︓建設地ハワイの状況説明と代替建設候補地についての合意形成（光⾚天連等）• 2018年10⽉︓光⾚天連声明「⽇本が建設に参加しているTMTがハワイに建設されることを強く⽀持する」• 2018年12⽉︓光⾚天連からマスタープラン2020に向けて「総合評価S」として推薦（マスタープラン2020については、p8で後述）

コミュニティの⽀持のもと、TMT計画は以下のように評価され、推進されてきた。
• 学術会議マスタープラン2011で学術の⼤型施設計画と位置付けられ、マスタープラン
2014・2017では区分II（現在実施中の計画）とされた。
• 科学技術・学術審議会 学術分科会 研究環境基盤部会 学術研究の⼤型プロジェクトに関する作業部会によるロードマップ2012では「基本的な要件が満たされており、⼀定の優先度が認められる計画」と評価され、2013年度から「⼤規模学術フロンティア促進事業」に位置付けられ、建設予算を措置されてきた。ロードマップ2014・2017には「これまでのロードマップに記載され、財源が確保されて推進中の計画」として掲載された。

国⽴天⽂台ではTMTプロジェクト、先端技術センターを中⼼に、TMT計画を推進してきた。

30m光学⾚外線望遠鏡(TMT)
計画の概要

3

⽇本、⽶国、カナダ、インド、中国の国際共同科学事業として、ハワイ島マウナケア⼭頂に⼝径30m光学⾚外線望遠鏡TMTを建設する。
⽇本は望遠鏡本体や主鏡、観測装置の製作などを担当する。
従来の地上⼤型望遠鏡に対し、10倍以上の集光⼒、3倍以上の解像度、星のような点光源に対しては100倍以上の感度向上を達成する。
主要科学⽬標1) 地球型系外惑星の直接検出と⽣命の兆候探査• 建設費総額︓約26億ドル（2600億円）
2) 宇宙最初の天体の解明(⽇本の建設費 375億円+国内経費 40億円)
注）総建設費は2020年NSFへの設計段階提案時の値。フロンティ 3) ダークエネルギーの性質の解明
ア事業の計画上は18億ドル(約1,800億円)。現時点での総建設費 4) マルチメッセンジャー天⽂学の発展• 計画期間︓2014年度〜2032年度• ⼤規模学術フロンティア促進事業は検討中。⼀部ドル建てのため為替レートによって変動がある。

⽇本が製作を担当する部位
主鏡分割鏡
望遠鏡本体

観測装置
低次波⾯センサー（カナダ）

研磨加⼯分担
⽇本
⽶国
インド
中国

撮像モード
（⽇本）
⾯分光モード（⽶国）

学術的価値4

すばる２とTMTが明らかにする宇宙の姿
地球型惑星

多様な地球型系外惑星候補天体を同定し、その特徴を調査

間接探査の⼿法で地球型惑星をもつ天体を検出

多様な重⼒波源の追跡観測により、宇宙における元素合成の概要を把握。
ニュートリノ源等の⾼エネルギー現象の原因天体を特定。

超広視野探査すばる2

初代星集団(想像図)

光の強さNASA/ESA

広視野探査で初代銀河候補を検出

100nm

200nm

（⾚⽅偏移により⾚外線で観測される）

重⼒波・ニュートリノ検出
後の速やかな広視野探査の電磁波対応天体を検出

10年間の⾚⽅偏移変化

138

ダークマターの正体解明。
ダークエネルギーの調査。
ニュートリノ質量の決定。

初代星に予想されるスペクトル

宇宙年齢 (億年)
60

30

20

SrSr

地球型系外惑星の直接検出
惑星⼤気の分光観測→⽣命の兆候探査初代星からの光の直接検出→初代星の形成時期と性質の解明

電磁波対応天体の分光観測→爆発機構・宇宙における元素合成の詳細な解明

波⻑（ナノメートル）

12

すばるが間接的に調べる範囲
ΩMΩ
w= =0.2
M=-1 4,0.
ΩΛ
24
Ω
=0
M=,Ω
.760.
Λ
=24,0,Ω
.76,
Λ=w0,=w=2/3-1
TMTが直接調べる範囲

⾚⽅偏移

光の強さ銀河の急成⻑期（約100億年前）の物理過程の解明。
HSC/PFS（可視光）で⾒えない、ULTIMATE（⾚外線）による宇宙最初期の天体形成過程の調査。

地球軌道サイズ

超⾼感度
⾼解像度

銀河間物質

宇宙の膨張の直接測定→全く新しい⼿法でのダークエネルギーの性質の解明

TMT

実現性

5

国際協⼒による着実な計画の進捗• TMT国際天⽂台(TIO)の強固な国際連携体制の下で計画を推進している。TMTは、すばる望遠鏡の実績を持つ⽇本、世界初の分割鏡⼤型望遠鏡を実現したカルテク・UC、⼤型ドームの実績を持つカナダが技術⾯をリードしている。
• ⽶国国⽴科学財団(NSF)の参加にむけ、⽶国のUS-ELTプログラム設計段階提案書を提出済
み。2021年度の基本設計審査(PDR)に向けて準備中。
• E-ELTと定期的に技術会議を⾏っており、ESOには未だ実績が無い⼤型分割鏡の実現にも協⼒している。すなわち、TMTは実績に裏付けされた⾼い実現性を有している。
• 各国での設計・製作を進めている。
• ⽇本:
o 望遠鏡本体構造: 8つの国際審査会を完了し、2018年度から製造⼯程に⼊っており、製造リスク低減などの準備を進めている。
望遠鏡本体構造の審査経過
2013年11⽉
望遠鏡本体構造PDR
合格
o 主鏡分割鏡: 300枚以上の鏡材製造、250枚以合格
上の⾮球⾯研削、30枚以上の⾮球⾯研磨を完 2014年4⽉ 望遠鏡制御系PDR主鏡セグメント鏡交換システム了。量産⼯程⾼速化等を検討中。
2014年11⽉
合格(SHS)PDR
o 観測装置: IRISは、TIOによる基本設計審査に 2015年2⽉ 望遠鏡本体構造FDR (FDR-P1)
完了
合格し、詳細設計を進めている。
2015年7⽉
望遠鏡制御系FDR (FDR-P2)
完了
•••
•

⽶国: 主鏡分割鏡制御系の試作による実証、分割鏡の⾮球⾯研磨を開始
カナダ: 補償光学システム、ドームの詳細設計完了、製造準備中
インド: 制御ソフトウェア設計、主鏡⽀持機構の試作
中国: 第３鏡の試作・設計、観測装置冷却システムの試作・設計

2015年10⽉

⻑納期品の材料調達開始にむけた審査（LPR）

合格

2016年2⽉

FDR-P2の残り課題の審査（DeltaFDR-P2）

完了

2016年12⽉

SHS等FDR (FDR-P3）

完了

2019年11⽉

FDR課題確認審査 (FDRC)

合格

2020年3⽉

第1回製造前審査 (Az部、EL部の⼀部)

合格

各分野との連携︓科学者コミュニティの合意

6

研究者の広範な⽀持（コミュニティの合意と研究分野の広がり）

計画の現状と今後についても説明と意⾒交換を重ねている。
2018年10⽉ 光⾚天連声明「⽇本が建設に参加しているTMTがハワイに建設されることを強く⽀持する」
2019年 9⽉ 計画の現状についての⽇本天⽂学会年会会場での説明会
2020年 3⽉ すばる望遠鏡ユーザー向けの説明会（オンライン会議）
2020年 5⽉ TMTコミュニティ向け説明会 （オンライン会議）
2020年 9⽉~2021年 3⽉ 光⾚外線・電波・太陽・理論・⾼エネ等の天⽂学コミュニティや⽇本天⽂学会等での説明
2021年 6⽉ TMTコミュニティ向け説明会および装置開発・科学運⽤検討会(オンライン会議)
すばる望遠鏡・TMTサイエンス
ブックを刊⾏（2020年3⽉）• 太陽系、系外惑星、銀河、宇宙論まで、80⼈の執筆者により制作。
• 2020〜2030年代を⾒通し、２つの望遠鏡の組み合わせでこそ成しうる科学研究に焦点をあて、装置や運⽤について最新の検討結果をまとめた。

東⼤カブリIPMU
ダークマター・
ダークエネルギー

東⼤宇宙線研究所

物理学

ニュートリノ・
重⼒波物理学
核融合科学研究所

東北⼤学

協定

協定

東⼯⼤地球⽣命研究所

地球惑星科学・⽣命科学
地球型系外惑星
⽣命の兆候探査アストロバイオロジーセンター

基礎⽣物学
研究所

すばる望遠鏡のコミュニティの広がりを継承し、新たな研究分野の創成を図る。

緊急性

なぜ、マスタープラン2023に採択される必要があるのか︖

7• たとえTMTの完成がE-ELTやGMTに対しやや遅れたとしても、技術的優位性、および建設地マウナケアでの補償光学性能や⾚外線観測の優位性から、TMTは最⾼性能の地上望遠鏡として、他の超⼤型望遠鏡を凌駕する科学的成果をあげることができる。よって、他の超⼤型望遠鏡に⼤きく遅れずに完成し運⽤を開始することが国際競争の上で極めて重要である。
• ⽶国NSFによるUS-ELTプログラムの設計審査（最終設計審査は2023年の予定）では、⽇本をはじめ参加各国の状況も審査される。
• 現在のスケジュールでは、望遠鏡本体の本格的な製造は2024年度からであり、それに合わせるためには、⽇本国内においてTMT計画がマスタープラン2023に採択され、再びフロンティア促進事業として適切に予算措置されることが不可⽋である。⽶国での予算措置のスケジュールもこれに同期している。
TMT(ハワイ)

主要観測サイト指標の⽐較

E-ELT

マウナケア

アルマソネス

標⾼ (m)

4050

3064

星像の⼤きさ (秒⾓、中央値)

0.50

0.50

⾮常に安定

安定

⾚外線観測に適した時間の割合

約50%

約20%

快晴の夜間時間の割合

約70%

約85%

(チリ アルマソネス)

地球⼤気の安定性

GMT（チリ ラス カンパナス)

8

TMT計画の現状• ⽇本では、2013年度から⼤規模学術フロンティア促進事業として建設予算が措置され、TMT枢要部分の設計・開発・製造を着実に進めてきた。
• ⽶国では、2015年4⽉および2019年7⽉に、ハワイで現地⼯事が開始できなかった。また、⽶国NSFの正式参加も当初予定より遅れている。
• 2019年11⽉の学術審議会⼤型プロジェクト作業部会による進捗評価では、「TMTに対する国の⽀援については、計画全体の実現可能な⾒直しが明らかになるまで(中略)厳に慎重に⾏うべきである。」「2021年度末までにプロジェクト完了の⾒通しが明らかとなった場合、改めて進捗評価を⾏う。」とされた。
• 2020年1⽉、マスタープラン2020の「重点⼤型研究計画」に選定されなかった。
• マスタープラン2023で重点⼤型研究計画に採択されないと、2026まで機会がない。(1) TMTの全体⼯程が成⽴しなくなる、(2) 国内メーカーがTMTから撤退し、実現不能に陥る、(3) NSF審査において、⽇本の状況が影響を与え、⽶国の予算確保もできなくなる。→ マスタープラン2023での位置づけが不可⽋。
すばる

アルマTMT

現⾏計画終期

2021年度

2022年度

2021年度(評価待ち)

後継計画
ロードマップ
掲載状況
次期計画開始すばる２
RM2020掲載
すばる２
2022年度

アルマ２
RM2020掲載
アルマ２
2023年度－－－8現状改善に向けた試み︓

9

TMT建設地の準備状況
TIOおよび参加機関がマウナケアでのTMT建設を⽬指し⼀致して取組むのみならず、関係機関が合意形成に向けて注⼒しており、以下の進捗がある。
1. TIOの取組み（ハワイでの体制強化）• ⽇本からの強い要請にしたがい、TIO本部のハワイへの段階的移転を評議員会で承認した。 第⼀段階として、TIOプロジェクトマネージャが、2021年6⽉10⽇にヒロへ赴任した。それに合わせ、国⽴天⽂台TMTプロジェクト⻑も7⽉23⽇にヒロに赴任した。この⼆⼈を中⼼に、ハワイ地元関係者と直接対話を重ね、⽀持拡⼤を推進する。

Fengchuan Liu
TIOプロジェクトマネージャ代⾏と⾅⽥TMTプロジェクト⻑

2. ハワイ州、ハワイ⼤学等の取組み• ハワイ州議会が、今後のマウナケア管理についてのワーキンググループ設⽴(2021年5⽉10⽇）。先住⺠グループのリーダー3名がメンバーとなり幸先良いスタート。2021年末に報告書を州議会に提出予定。
• ハワイ⼤学Institute for Astronomy所⻑に、先住⺠グループとチャンネルのあるDoug Simons (現CFHT所⻑)が就任。
•ハワイ⼤学は、既存観測所のうちカルテク サブミリ波観測所(CSO) および教育⽤望遠鏡ホクケアの撤去準備(環境影響調査等を含む)を進めており、2024年までに撤去する予定。

Honolulu Civil Beat

Scott Saiki
ハワイ州議会下院議⻑現状改善に向けた試み︓NSF参加・⽶国資⾦投⼊に向けた動き

10

1. 2019年7⽉: TIO, GMT, AURAは3者共同で、TMTとGMTを南北両半球に建設するUSELTプログラムとしてDecadal Surveyへの提案を提出。現在結果待ち。
2. 2020年5⽉: NSFに対しUS-ELTプログラムの設計段階提案書を提出した。
3. 今後、以下の⼆つがNSFにより2021-2022年度に並⾏して進められる。
1) 建設予算(MREFC)の審査: 基本設計審査(PDR)、最終設計審査 (FDR)
2) 連邦レベルでの環境影響調査及び国家歴史遺産保存法106条に関するプロセス• これらの結果を受けて、NSFはTMT計画参加についての公式決定を⾏う。
• 参加の公式決定に先⽴ち、NSFは予算案作成を連邦⾏政管理予算局(OMB)他と進める。
公式決定後、US-ELTプログラムは予算案に組み⼊れられる。
• 連邦議会の審議・承認により、2024年からの⽶国連邦政府資⾦投⼊を想定している。
(年度)

DecadalSurvey審査

2020

2021

審査(NSF MREFCとは独⽴)審査結果公表設計段階の提案NSF MREFC
審査

基本設計段階

最終設計審査最終設計段階（NSFによる設計段階の予算措置）(NSFが⾮公式に対話を実施中)

2023

環境影響調査(公式な実施期間)

マスタープラン 分科会
2023 での審査

2024

TMT計画への参加公式決定

基本設計審査環境影響調査日本での計画審査

2022

⽶国議会での予算承認

⽶国政府・議会での予算過程

⽶国連邦予算の投⼊公表

科学者委員会
公表
での審査
学術審議会 作業部会
ロードマップ 2023 での審査

本格的製造再開

今後のTMT計画について

11

30m級超⼤型望遠鏡は、⼈類の宇宙探究のフロンティアをひろげるために必須である。⼤学共同利⽤機関である国⽴天⽂台は、⽇本の研究者が最先端の研究を⾏う機会を確保できるよう、今後のTMT計画に以下のとおり取り組んでいく。

マスタープラン2023で、TMTが重点⼤型研究計画に採択されることが不可⽋。
そのため、幅広いコミュニティの⽀持を得るべく国⽴天⽂台として取り組む。
• コミュニティの⽀持が明確化できず、適切な予算措置ができないと、TMT計画が実現できないのみならず、これまでにTMT計画に投じてきた国費に対する国⽴天⽂台の責任を問われると共に、フロンティア促進事業という制度にも深刻な影響を与える。その影響は、天⽂学全体、⾃然科学研究全体にまで及んでしまう。
•• 国⽴天⽂台としては、そのような事態を避けるべく、全⼒で取り組んでいる。光
⾚天連をはじめとするコミュニティの皆さんのご理解・ご協⼒をお願いしたい。
• ⽶国連邦政府予算投⼊が決定（2023年度予定）するまで、⽇本国内およびTIOの⽀出を最⼩化しつつ、完成までの⼯期短縮・コスト抑制を図りリスクを低減するための活動を継続する。このために最⼩限の予算措置の継続が必要である。
• これらを通じてTMT完成までの道筋を明確化し、国内においてマスタープラン2023およびロードマップ2023を乗り越える事により、⽶国NSFと同期して、2024年度から本格的な製造を開始できる概算要求の実現を⽬指す。

121314

TMT建設地の準備状況
代替建設候補地（ラパルマ島）の状況• 建設に必要な許可・⼿続きは2019年11⽉に得られている。
• 州による環境アセスメントは実施済みで⾃治体からの許可が出ているが、環境保護団体による訴訟活動があり、状況を注視している。
• ⽇本においてラパルマ島の観測条件と期待できる科学研究について詳細な評価を実施し、ラパルマにTMTを建設する場合でも、TMTの強みを活かし、競争⼒の⾼い研究が可能と結論した。
• 2020年1⽉に、国⽴天⽂台の⾒解「ハワイでの建設が不可能と判明した場合、TMTに対する⽶国連邦政府予算措置の⽬処が⽴てば、ラパルマへ移⾏することとする」を台⻑年頭所感として公表した。
ラパルマ島

カナリア諸島+
建設候補地

モロッコ

Observatorio del Roque de los Muchachos
Instituto de Astrofisica de Canarias (ORM)
標⾼約2,300m (マウナケアは約4,000m)

アルジェリア
⻄サハラ

学術的価値① 地球型系外惑星の直接検出と⽣命の兆候探査

太陽系外の地球型惑星を直接観測し、⽣命の兆候を探る

すばる望遠鏡では、恒星から離れた巨⼤ガス惑星の直接撮影に成功している。
恒星近くにある地球型系外惑星は、これまでは間接的にしか検出されていない。
TMTでは⾼解像度撮像観測によって、地球型系外惑星を直接検出する。
系外惑星⼤気を⾼感度・精密分光し、酸素分⼦や⽔、メタンなどを発⾒して、⽣命存在の可能性を探る。
系外惑星⼤気の分光

太陽-地球の距離の約40倍

⾦星

地球型惑星 中⼼の恒星+反射率••••⽕星
地球

地球軌道サイズすばる望遠鏡で捉えた、地球 TMTによる、約12光年の距離から約60光年離れた恒星の にある太陽に似た恒星の観測周りのガス惑星 (⻘丸)。
シミュレーション。地球型惑星（⾚丸）を直接検出できる。
葛原他 2013, Astrophys. J.
C. Marois (NRC)

波⻑(ミクロン)

惑星⼤気のシミュレーション。CO2が卓越する⾦星・⽕星に対し、地球では⽔および酸素の存在が分かる。系外惑星⼤気の分光により地球に似た⼤気組成をもつ惑星を探査する。
Meadows, 200615

学術的価値② 宇宙で最初に誕⽣した星の検出

16

ビッグバン後に最初に⽣まれた天体（初代星）を特定する• 初代星は、⽔素とヘリウムのみから成っていた宇宙に初めて重元素をもたらすと共に、紫外線放射や超新星爆発により以後の星・銀河形成、さらには超巨⼤ブラックホール形成に⼤きな影響を与えた。初代星の質量や明るさを観測で明らかにすることが重要課題となっている。
• すばる望遠鏡は広視野観測で候補を探査するが、感度不⾜で特定はできない。TMTは初代星が放つ特有の光（ヘリウム輝線）を⾼感度分光観測でとらえることで初代星を特定し、その性質を明らかにする。
重元素を含む宇宙⽔素とヘリウムのみの宇宙中性ガスの宇宙星や銀河、超巨⼤ブラックホールの形成

初代星 TMT

アルマ2

TMTは初代星が放つ特有の光（ヘリウム輝線）を直接とらえる

光の強さ

初代星に予想されるスペクトル

D. Schaerer

100nm 静止系波長200nm（赤方偏移により赤外線で観測される）

すばる
2

すばる望遠鏡は広視野観測で多数の遠⽅銀河発⾒（初代星観測には感度不⾜）

アルマ望遠鏡は初期の星が死んでまき散らした酸素が放つ電波を検出。
（初代星そのものは観測できない）
橋本他 2018, Nature澁⾕他 2012, Astrophys. J.

学術的価値17③ ダークエネルギーの性質の解明

直接測定による宇宙加速膨張の検証•

ダークエネルギーの正体に迫るには、宇宙の膨張がどのように変化してきたのかを測定することが鍵となる。
TMTは宇宙膨張の速さの変化を、宇宙論モデルによらない、最も直接的な⽅法で測定することに挑む。

【TMTによる宇宙膨張の直接測定】••

10年程度の期間をおいて遠⽅のクェーサーを精密分光観測し、様々な距離にある銀河間ガスの⾚⽅偏移のわずかな変化を検出することで、ダークエネルギーによる宇宙膨張の速さの変化を直接測定する。
極めて⾼い分光測定精度が必要であり、現在の810m級望遠鏡では集光⼒不⾜で不可能。

宇宙年齢(億年)10年間の⾚⽅偏移変化•① ダークエネルギーが宇宙定数で表される場合
ΩM=0.24, ΩΛ=0.76, w=-1

すばるが間接的に調べる範囲①③②

TMTが直接調べる範囲② ダークエネルギーが宇宙定数からずれている場合
ΩM=0.24, ΩΛ=0.76, w=-2/3③ ダークエネルギーのない宇宙
ΩM=0.24, ΩΛ=0, w=-1

宇宙年齢ごとの変化を調べ、正しい宇宙論モデルを判別する。
• すばる望遠鏡は多数の銀河の距離測定で統計的・間接的にダークエネルギーの影響を調べるのに対し、TMTは宇宙論モデルに依存せず宇宙膨張を直接測定できる。
• すばる望遠鏡とTMTで、異なる時代の宇宙膨張を調査し、宇宙史全体での膨張の様⼦を明らかにすることができる。

学術的価値

18④「マルチメッセンジャー天⽂学」において起源天体やつくられる重元素を解明する

重⼒波やニュートリノの測定と様々な電磁波の観測で宇宙の爆発現象に迫る「マルチメッセンジャー天⽂学」が急速に進展→TMTはすばる望遠鏡などで同定された天体の分光観測により、爆発メカニズムやつくられる元素を決定する。

2017年の重⼒波天体の観測例

重⼒波︓連星中性⼦星合体

ニュートリノ︓特殊な超新星や活動銀河核中性⼦星合体の想像図

超新星の想像図

鉄より重い元素の⽣成を⽰唆
合体からの日数

Sr

1.5

10−16

地球大気

（⽐較的近距離で起こった稀な例）

電磁波観測が期待される天体

フラックス
Flux

Sr
10−17

2.5

3.5
10−18

4.5

10−19

すばる望遠鏡がとらえた、重⼒波源の明るさの変化。

5.505000

10000
15000
Wavelength (Å)

波長 (A)

20000

25000

（内海 (Stanford⼤)他、2017︔⽥中 (東北⼤)他、2018︔冨永 (甲南⼤)他、2018） ESO/VLTによる分光観測︓重⼒波検出から5⽇後まで測定（Pian 他2017)• すばる望遠鏡などで今後同定される天体の多くは遠⽅で⾒かけ上暗いものになる• 爆発現象から時間が経過した段階のほうが⽣成された元素を特定しやすいが、暗くなる→分光観測にはTMTの⾼感度が必要不可⽋