人類の新しい眼「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡」
で宇宙を観る

播金 優一(東京大学宇宙線研究所)

自己紹介
はりかね• 播金 優一 (天文学者)– 1991年12月生まれ (31歳)– 2019年3月: 東京大学理学系研究科物理学専攻 博士– 2019-2020年: 研究員 (国立天文台、University College London)– 2020年6月-現在: 東京大学宇宙線研究所・助教(富士通の計算機システムに大変お世話になっています)• 大望遠鏡を使って、昔の銀河の研究をしています
すばる

アルマ

ハッブル

ジェイムズ・ウェッブ(NASA)

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST)• 一昨年12/25打ち上げ、去年7/12に最初の画像公開– ハッブル宇宙望遠鏡の後継機– １兆円規模の巨大望遠鏡プロジェクト

NASA
7/12の米ホワイトハウスでの最初の画像公開 (NASA)

JWSTの科学目標
ビッグバン後に誕生した最初の銀河や天体の探査（初代銀河）

現在までに銀河がどのように進化してきたのかの調査（銀河進化）

星の誕生から惑星の形成までの観測（星・惑星形成）

惑星の性質を調査及び地球外生命の可能性の探査（系外惑星）JWSTの最初の公開画像• SMACS0723という46億年前の銀河団– １粒の砂を摘んで空に掲げたくらいの小ささ

NASA

JWSTの最初の画像
ハッブル望遠鏡

JWST

NASA

JWST論文ラッシュ• >100の論文がプレプリントサーバーに投稿された– 世界中の天文学者がJWSTデータに夢中– とある日本人天文学者「世界が変わってしまった」
JWSTデータを使った論文の数 (arXivより)

1ス

4本

7月14日
データ公開

ペ日/ース
ー日ペ/
-2本

本日の内容• 昔の銀河の研究の目標– なぜ昔の銀河の観測が大事なのか？
– これまでの遠方銀河研究の進展• ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）– 概要、歴史– 観測プロセス– これまでの様子と今後の展望1. 昔の銀河の研究の目標

天の川銀河• 渦巻銀河• 質量 (星+星間ガス): 太陽質量の1000億倍– ダークマターはその10倍くらい– 太陽数個分の星が1年に生まれている• 年齢: 100億-130億歳

太陽系図鑑

天文学辞典

銀河は進化する• 銀河は進化している– 今の宇宙: 渦巻銀河、楕円銀河が多い– 昔の宇宙: 不規則銀河が多い• 昔の銀河＝銀河進化の初期段階
現在

120億年前133億年前銀河の研究の目標• 銀河がどう形成し、進化したのかを理解したい– 最初の銀河や星はいつ生まれたのか？
– 観測で最も昔の銀河を探したい

Harikane et al.

現在
天の川銀河
アンドロメダ銀河

昔の銀河たち最初の星？
最初の銀河？

ビッグバン(138億年前)

昔の銀河は見える• 光の速さは有限（１秒間で地球を７周半）– 遠くの宇宙の銀河 (遠方銀河) = 昔の銀河
km
万
地球
5千億（現在） 1

太陽 (8.3分前)

NASA光の速さで135億年かかる距離にある遠い銀河NASA
236兆km(25光年)＝135億年前の銀河
ベガ (25年前)

NASA

NASA
135探すのは大変！
億光年(1.3x10 26m, 0.
1 ロナm)
NASA

135億年前の銀河

Harikane et al.

昔の銀河の特徴
1. 遠くて暗い
2. 赤い (波長が長い)
3. 数が少ない大変ポイント1: 昔の銀河は暗い• 昔（遠方）にある銀河は暗い– 25-30等級、6等星の1億分の1の暗さ– 等級
fν:フラックス密度 (10-26 W/Hz/m2)• 大きな望遠鏡を使って光を集める必要がある大変ポイント2: 昔の銀河は赤い• 正確には、波長が長い3c) ウシオ電機

大変ポイント2: 昔の銀河は赤い• 正確には、波長が長い– 長い波長（赤外線）まで観測する必要がある

λobs=(1+z) x λint
現在 (z=0)

NASAλobs: 観測される波長λint: 元々の波長z: 赤方偏移

135億年前(z=13)

宇宙膨張による赤方偏移
波長

波長
λobs=(1+13)x0.15 赤外光=2.1 μm

紫外光

λint=0.15 μm

大変ポイント3: 昔の銀河は少ない• ボトムアップシナリオ (冷たいダークマター)– 通常の物質 (5%) よりダークマター (27%) が支配的
– 小さい銀河からできて、大きい銀河に成長した• 明るい (大きい、重い) 銀河の方が数が少ない
宇宙の組成

ボトムアップシナリオ

ICRR

すばる望遠鏡で撮った宇宙の写真
合計約２万個の天体

人工衛星

星

120-130億年前の銀河は100個ほど (0.5%)しかいない銀河

135億年前の銀河だともっと少ない

遠方銀河の探し方• 昔の銀河は赤い（波長が長い）• 長い波長だけで見える銀河 = 昔の銀河の候補– 水素の吸収（ライマンブレイク, 0.12μm）を使う
λobs=(1+z) x λint
λobs: 観測される波長λint: 元々の波長z: 赤方偏移134億年前(z=11)の銀河 0.4
緑0.5μm

120億年前(z=5)の銀河

120億年前 (z=5) のライマンブレイク
λobs=0.12x(1+5)=0.72μm
0.60.8波長 [μm]1.0Ono et al. 2018

橙 0.65μm 赤 0.8μm
0.9μm
暗い 明るいλobs=(1+11)x0.12=1.44 μm
暗い

明るい

1.2

観測の種類
撮像観測（写真）• 多くの銀河を一度に観測• 詳細に調べるには分光が必要

分光観測（スペクトル）• 個別に分光し輝線を検出• 正確な距離がわかるが、時間がかかる

撮像観測で撮った写真の中から昔の銀河の候補を探して、分光観測で調べる

Harikane et al. 2019

JWST登場前の昔の銀河の記録• ハッブル宇宙望遠鏡で見つかった134億年前(z=11) の銀河 GN-z11• 炭素の輝線スペクトルで距離を確認 (2020年)

GN-z11 (Jiang+20, Oesch+16)

NASANASA

最遠方銀河の候補を発見• 134.8億年前の銀河の候補、HD1 (今年4月に発表)– 地上望遠鏡データ、70万個以上の天体の中から発見
NHK ニュースウォッチ9 (2022年4月7日)
ニューヨークタイムズ

Harikane et al.

これまでの望遠鏡の限界• ハッブル望遠鏡: 1.7 μmまでしか観測できない– 134億年前が限界 (昔の銀河は赤い)• 地上望遠鏡: 2.5 μmまで観測できるが、感度が足りない
長い波長 (赤外線, 30μm) まで– 昔の銀河は暗い
高感度観測が可能なジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の登場 λobs=(1+13)x0.12=1.7 μm
ハッブル望遠鏡
0.5-1um

1.3um

1.6um

2.1um

135億年前(z=13)の銀河
暗い

明るい3.6um

2. ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST)• 赤外線望遠鏡。6.5mの非常に大きな鏡– ハッブル望遠鏡の鏡は2.4m• 一兆円規模の巨大望遠鏡プロジェクト• 一昨年12/25打ち上げ、去年7/12に最初の画像公開
主鏡 (直径6.5m)
18枚の小さな鏡の組み合わせ
金メッキコーティング

サンシールド太陽からの光を遮って、望遠鏡を-233℃に保つ
NASA

JWSTの歴史•

1989年: ハッブル望遠鏡の後継機を議論する会議– ハッブル望遠鏡の打ち上げは1990年•

1990年代後半: 計画スタート– 予算500億円を想定、2007年打ち上げ予定•

2003年: NASAから予算獲得 (1000億円)– 開発開始、2010年打ち上げ予定••••

2004年: ESA (ヨーロッパ) が参加
2005年: 予算超過 (5000億円), 打ち上げを2013年に延期
2010年: 大体の装置が決まる。打ち上げを2015-2018年に延期
2011年7月: JWST最大の危機。アメリカ議会で計画中止が決定される– とあるメリーランド州上院議員のおかげで中止を免れる (+予算アップ)••••

2018年3月: 打ち上げを2020年5月に延期
2018年7月: 打ち上げを2021年3月に延期 (予算9000億円)
2020年7月: 打ち上げをさらに延期 (covid-19のため)2021年12月: 打ち上げ。総予算1兆円

打ち上げ• 2021年12/25 ESA アリアン5ロケットで打ち上げ– 打ち上げが非常にうまく行ったことで寿命が伸びた(5-10年→20年以上)@ギアナ宇宙センター

ESA

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST)• ラグランジュポイント (L2)で観測– なるべく太陽の光が当たらないところ– 折り畳まれて打ち上げ -> L2へ(+装置展開) -> 冷却+調整

STScI

観測は順調• 予想以上のパフォーマンスが出ている
実際の性能
/予想

予想通り

波長

Rigby+22

隕石が衝突• 5/22-24に（想定より大きい）隕石が衝突– 1枚の鏡が修復不可能に– 残り17枚の鏡で十分性能維持可能
隕石衝突前

隕石衝突後NASA他の望遠鏡と比べた新規性• 撮像・分光ともに感度が10-100倍以上向上
撮像感度感度分光

遠方銀河が暗い・赤いという問題をケック
同時に解決ハッブル

STScI
波長 [μm]

波長 [μm]

最遠方銀河候補を観測• HD1が第１期観測のターゲットとして採択– プログラム代表: 播金– 135億年前の銀河かどうか分光観測で調査

観測提案書• 世界中の研究者が観測提案をする– 倍率4倍 (ハッブルは10倍くらい)– 英語で8ページ +α
播金が代表として書いた提案書

締め切り4日前のスケジュール• 2020年11月20日-21日 (締め切り11/24)• とにかく大変でした– どの時間でも日本+アメリカ+ヨーロッパからメール– すぐに対応しないと間に合わない– でも寝ないと頭が働かない
9:00

18:00

12:00

起床。アメリカの共同研究者からのメールに返信

イギリスの共同研究者からメールが届き始める

昼食

13:00

9:30 提案書作成
1:00

19:00

提案書作成再開
7:00
起床

アメリカからメールが届き始める

夕食

20:00
提案書作成再開

3:00
就寝

観測提案書の審査• 初期観測 (cycle 1, 1084件の提案 → 286件を採択)– 科学的な重要性、実現可能性、観測スケジュール• Dual-anonymous review– 提案者は審査員が誰なのか分からない– 審査員も誰が提案書を書いたのか分からない
初めて提案書を書いた人で採択された人の割合
男性審査員が女性提案者の提案書を審査
Dual-anonymousreview 導入

評価良男性審査員が男性提案者の提案書を審査

評価悪Johnson+20
Reid14

観測のプロセス• 観測スケジュールの策定 (286プログラム)– 常に太陽に背を向けるので、観測時期は限られる– 1週間毎に最終的なスケジュールを策定、コマンド送信• データ取得。転送 (0.87 MB/s, 半日毎4時間)• データはSTScIのサーバーで保存 (メール通知)(宇宙望遠鏡科学研究所, アメリカ)

Analog.com
NASAデータ校正
生データ

校正済みデータフラックス校正（天体の明るさ）
位置校正（天体の場所）
検出素子感度補正
バックグラウンドノイズ引き
画像足し合わせ…

STScIが校正済みデータを公開してくれるが、問題が多い→ 研究者個人で大学の計算機等を使って校正 (1日~1週間)データ公開Mikulski Archive for Space Telescopes• STScIのデータサーバー (MAST)– 初期データ (7/14公開) はAmazon web service (AWS)• 即時公開 vs 占有期間あり– 即時公開のメリット: 世界中の研究者がデータを使うことで、いち早く多様な成果を出せる。
– 観測提案者のメリットは？

JWST論文執筆スケジュール
NHK おはよう日本 (7/24朝放送)

マックスプランク研究所所有
リングバーク城
データ解析

論文執筆、追加解析
論文執筆、追加解析

0:00
データ公開！

データ解析

銀河を探査 (平均睡眠時間3時間/日)

ドイツ出張 (国際会議)

論文投稿！
(深夜3時)

目で天体をチェック• プログラムを使って天体を選ぶと、本物 (銀河)ではない信号が紛れ込む• 機械学習で分類も可能 (Ono,...,YH+21)
本物の天体

偽物の信号

昔の銀河の候補が大量に見つかった• ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の画像から20個
以上の新たな131-136億年前の銀河候補を発見– 即時公開データ → 複数の研究者が独立に発見– 今後の分光観測が必要
136億年前の銀河候補

実際の観測銀河の数予想の10倍!

Harikane+22c

色々な予想現在の最遠方記録• 135億年前の銀河を分光確認– 見かけの明るさ29等級 (非常に暗い)– ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡以外では無理– 人類が到達した最果ての銀河

NASA, Curtis-Lake+22今後の期待• 宇宙初期の天体の理解が飛躍的に進む– 初代銀河、初代星の発見• 宇宙の化学進化– 銀河の重元素 (酸素や窒素) の量を調べられる– 私たちの体や地球の起源の理解へ
重元素: 水素・ヘリウム以外の元素 (例: 酸素)？

まとめ• ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は天文学に革命を起こしつつある– 赤外波長の感度が10-100倍向上– 最遠方銀河記録の更新 (135億年前)– 大量の131-136億年前の銀河候補– 論文ラッシュ、観測提案書審査、データ占有期間, …

• 今後も、驚くような宇宙の姿を我々に見せてくれるだろうと期待しています• 予想していなかった新発見– 大きな発見は望遠鏡稼働の数年後くらいに起きる