【宇宙の神秘】 「すばる望遠鏡」 とSuMIReプロジェクト

◆すばる望遠鏡　 国立天文台ハワイ観測所「すばる望遠鏡」
すばる望遠鏡（Subaru Telescope）は、アメリカ・ハワイ島のマウナ・ケア山山頂（標高4,205m）にある日本の国立天文台の大型光学赤外線望遠鏡である。

1999年1月ファーストライト（試験観測開始）。建設総額は400億円。システム設計・建設のほとんどは三菱電機が請け負った。国立天文台が建設準備を進めていた当初のプロジェクト名は「日本国設大型望遠鏡」（Japan National Large Telescope, JNLT）だった。建設が始まった1991年に望遠鏡の愛称の公募が行われ「すばる」が選ばれた。

主鏡に直径8.2m、有効直径（実際に使われる部分の直径）8.2mという当時世界最大の一枚鏡をもつ反射望遠鏡であった。主鏡はアメリカのコーニングとコントラベスに於いて7年以上の歳月を費やして製造された。

2015年4月時点で世界最大の一枚鏡望遠鏡は、アメリカアリゾナ州にある大双眼望遠鏡で、8.4m鏡2枚の合成直径は11.8m。また分割鏡では、スペイン領ラ・パルマ島のロケ・デ・ロス・ムチャーチョス天文台にあるカナリア大望遠鏡（有効直径10.4m）である。

すばる望遠鏡には高度な技術が多数使われている。例えば、コンピュータで制御された261本のアクチュエータにより主鏡を裏面から支持することにより、望遠鏡を傾けた時に生じる主鏡の歪みを補正し、常に理想的な形に保たれている（能動光学）。また、天文台の建物そのものの形状を工夫することで空気の乱れを防ぎ星像の悪化を防いでいる。採用された円筒形のドーム形状は、特に内部からの放熱による乱流を防ぐ観点で、通常の半球形のドームより適しているとの理由によって採用された。


◆◆すばる望遠鏡による成果
すばる望遠鏡は日本の国立天文台の施設であるが、国際共同利用観測所であるため世界中の天文学者が観測提案を提出することができ、審査に合格した観測提案だけが実行に移される。観測提案は年に2度募集される。

◆◆単独観測
◆宇宙の大規模構造の元となる、フィラメント状星雲の発見。また、銀河系の10倍以上の質量を持つ、銀河団の元となる星雲を発見。
赤外線によって、宇宙の最遠の超新星爆発を捉える。
太陽系外にある微惑星のリングを捉える。

◆2005年2月 くじら座の方向に観測史上最遠の銀河団を捉える。距離128億光年

◆2006年5月 ガンマ線バーストの解析により、宇宙の再電離はビッグバン後9億年まで遡ることを確認。

◆2006年8月 かに座の方向に日本人の発見したものとしては最遠となる127億光年離れたクエーサーを発見。

◆2006年9月かみのけ座の方向に、天体観測史上最遠となる128億8000万光年離れた銀河を発見する。

◆2014年11月　すばる望遠鏡にとって最も遠い宇宙をこれまでにない感度で探査し、ビッグバンからわずか7億年後 (131億光年先) の宇宙にある銀河を7個発見。

▲ 131 億光年先のライマンα輝線銀河 (LAE 銀河) のカラー画像。すばる望遠鏡による３色の観測データを合成することで、画像に色をつけている。２本の白い線の間にある赤い天体が LAE 銀河。宇宙膨張の影響を受けているため、131 億光年先の LAE 銀河はとても赤い色をしている。(クレジット：東京大学/国立天文台)

◆◆国際連携観測
◆NASAの探査機ディープ・インパクトと連携し、彗星への衝突時の光を捉える。 なお、この観測はマウナケア山頂の望遠鏡群全体でも行った。
ヨーロッパ南天天文台でも観測を行う。

◆NASA及びESAの探査機カッシーニと連携し、土星の衛星タイタンのジェット流の観測を行う。

◆NASAと協力し、冥王星-エッジワース・カイパーベルト天体探査機ニュー・ホライズンズの探査目標天体の捜索を行う。

◆欧州宇宙機関 (ESA) と共同で、すばる/XMM-ニュートン・ディープサーベイ (SXDS) と呼ばれる深宇宙撮像サーベイを行う。

◆ハッブル宇宙望遠鏡、スピッツァー宇宙望遠鏡、超大型干渉電波望遠鏡群 (VLA)、VLT、XMM-Newton、GALEX、Chandra、UKIRT、NOAO、CFHT等と共同で、ハッブル宇宙望遠鏡基幹プログラムであるCOSMOSプロジェクトに参加。
X線、紫外線、赤外線、電波の全波長帯で宇宙の大規模構造を観測する。


◆◇◆SuMIReプロジェクト
宇宙の起源と未来を解き明かす新プロジェクトSuMIRe発足
超広視野イメージングと分光によるダークマター・ダークエネルギーの正体の究明

数物連携宇宙研究機構（Institute for the Physics and Mathematics of the Universe、以下IPMU）の村山斉機構長が提案した新プロジェクトが総合科学技術会議の決定で発足することになった。

◆宇宙の約23%を占めるダークマター（暗黒物質）、約73%を占めるダークエネルギー（暗黒エネルギー）は目で見ることができず、今のところ全く正体不明である。しかしダークマターは宇宙と銀河・星の起源、ダークエネルギーは宇宙の未来を決定する鍵を握っていることがわかっている。
　　　　　　　　


本プロジェクトではハワイ島のマウナ・ケア山上にある国立天文台のすばる望遠鏡に、9億ピクセル・重量約3トンのカメラや、同時に数千の遠方銀河を観測できる分光器を製作・取り付け、数十億光年離れた銀河を観測して宇宙の起源に迫る。
見えないはずのダークマターの３次元地図を作り、宇宙の膨張の歴史を解き明かす「宇宙のゲノム計画」といえる。そして過去の膨張の歴史から未来を予測し、宇宙に終わりがあるのかどうかを探っていく。

◆SuMIRe (すみれ) プロジェクト (Subaru Measurement of Images and Redshifts) は、ハワイ、マウナケア山頂のすばる望遠鏡に取り付けて使うために新しく開発した２つの観測装置、超広視野カメラ Hyper Suprime-Cam (HSC) と超広視野分光器 Prime Focus Spectrograph (PFS) を用いた最先端の宇宙観測を通して、ダークマターやダークエネルギーの正体を究明し、宇宙の起源と未来を解き明かそうという研究である。この研究プロジェクトは、内閣府が2009年に創設した最先端研究開発支援プログラム（FIRST）の研究課題のひとつとして実施された。
（参照　Kavli IPMU　カブリ数理連携宇宙研究機構）

◆2012年8月17日、国立天文台が東京大学カブリ IPMU 等と共同で開発を進めてきた新型の超広視野カメラ Hyper Suprime-Cam (HSC; ハイパー・シュプリーム・カム) がすばる望遠鏡に搭載され、2012年8月28日の夜から性能試験観測を開始した。HSC は満月９個分の広さの天域を一度に撮影できる世界最高性能の超広視野カメラで、高さが３メートル、重さが３トンもの巨大な観測装置です。従来よりすばる望遠鏡に搭載されている Suprime-Cam (シュプリーム・カム) では満月よりやや広い視野を撮影できていたが、HSC の登場により観測の効率がさらに大きく高まる。2002年より技術的な検討が始まり、長期にわたる開発期間を経て、2012年7月までに主要な部分の組み上げが完了、8月16日から 17日にかけて望遠鏡への搭載作業が行われた。

◆今後、試験観測で予定されている性能が達成されているかどうかを確認した後、2013年より本格的な科学観測を始める。科学観測では、すばる望遠鏡のシャープな星像と HSC の広視野を活かし、重力レンズ効果を用いたダークマター分布の直接探査などの観測が進められる予定である。


◆超広視野カメラ HSC (Hyper Suprime-Cam)
Hyper Suprime-Cam (HSC) は、国立天文台、Kavli IPMUなど国内外の研究機関が共同で開発した、すばる望遠鏡に取り付けて使用する巨大なデジタルカメラである。HSCは非常に広い天域を一度に撮影する事ができ、多くの天体を一度に捉えて天体現象を観測する研究で威力を発揮する。


2012年8月にハワイ、マウナケア山頂のすばる望遠鏡に搭載され、試験観測が続けられている。そして2013年7月、ファーストライトとして撮影したアンドロメダ星雲 M31の美しい画像を公開した。


◆超広視野分光器 -Prime Focus Spectrograph
Subaru Measurement of Images and Redshifts (SuMIRe: すみれ)プロジェクトの両輪のうちの１つである超広視野分光器Prime Focus Spectrograph (PFS) は、ハワイ島マウナケア山頂にある口径8.2メートルのすばる望遠鏡の主たる将来装置の１つとして日本のコミュニティーから承認された。この可視光・赤外線用多天体ファイバ分光器により、銀河探査を用いた宇宙論的研究、銀河系考古学、銀河／活動銀河核の進化の研究における飛躍的な進展が期待される。

▲Prime Focus Spectrograph (PFS) for Subaru Telescope

最近完成したWide Field Corrector (広視野補正光学系)によって拡張されるべくすばる望遠鏡主焦点の持つ広視野の利点を活かし、PFSは、1.3°直径内での2400天体のファイバ多天体分光を可能にする。これらのファイバは、3色腕を持った分光器4台につながれ、0.38ミクロンから1.3ミクロンの波長範囲での同時分光を分解能R~3000程度で行うことになる。


大望遠鏡における将来装置計画の中でもユニークなこの計画は、IPMUを筆頭に、ブラジルのUSP/LNA、アメリカ合衆国のCaltech/JPL・Princeton大学・Johns Hopkins大学, フランスのLAM, 台湾のASIAA、国立天文台/すばるを含む国際チームにより進められている。


▲すばる望遠鏡の新型カメラがとらえたアンドロメダ銀河。２３０万光年先にある巨大銀河が１枚の画像に収まった＝ＨＳＣプロジェクト提供　2013年7月




▲すばる望遠鏡に搭載された HSC が撮影したアンドロメダ銀河画像の紹介動画。この動画では、アンドロメダ銀河のほぼ全体が１視野で捉えられていると同時に、画像を拡大すると銀河内にある星の一つ一つも分離して写し出されていることが分かる。(クレジット：HSC Project / 国立天文台)

HSC には、複数の日本企業が開発した最新の技術が使われており、まさに日本の技術力の結晶と言える。幅広い波長域にわたり非常に高い感度を有し、遠方天体観測に特段の威力を発揮する CCD 素子は、浜松ホトニクス株式会社が国立天文台とともに新規に開発したものである。光学収差や大気分散を補正し、高い結像性能を達成するのに不可欠であった補正光学系は、キヤノン株式会社によって開発された。重さ数トンの HSC 全体を１-２マイクロメートルの位置精度で制御しながら望遠鏡上で安定した観測姿勢を保持するための機械部品である主焦点ユニットは、三菱電機株式会社が担当した。どれ一つ欠けても HSC の開発は成し得ませんでした。また、データ収集用電子回路は高エネルギー加速器研究機構によって開発されました。さらに米国・プリンストン大学が画像データ解析用ソフトウェアの開発を、台湾・中央研究院がフィルター交換装置の開発を担当するなど、国際的なプロジェクトとしても進んでいる。


◆◆すばる望遠鏡とダークエネルギーの探求

◆史上最遠方の宇宙立体地図が完成
ダークエネルギーの謎に迫る研究が進行中
【2013年8月】
京都大学、東京大学、オックスフォード大学などの研究者からなる国際研究チームは、すばる望遠鏡を使った FastSound という遠方銀河サーベイプロジェクトを進めている。

広視野を確保できる主焦点に観測装置を設置できるという、すばる望遠鏡の強みを生かしたファイバー多天体分光器 FMOS を用いて、約 30 平方度 (満月およそ 150 個分ほど) の領域で約 100 億光年以上彼方にある 5000 個の銀河までの距離を測定し、宇宙の年齢がまだ 50 億年以下 (現在は 137 億年) という太古の宇宙の立体地図を描き出す計画である。このような宇宙の三次元地図は、50 億光年ぐらいまでの距離ではスローン・デジタルスカイサーベイ (SDSS) などのプロジェクトで精密に観測が行われているが、100 億光年より向こうではまだ例がなく、FastSound が世界で初めて切り込むものである。



FastSound によって得られた、宇宙誕生後 47 億年の時代の宇宙大規模構造。
天球面上で 2.5 度 × ３度、地球からの共動距離 で 120～145 億光年 (光路距離で 80～96 億光年) の領域が表示されている。銀河の色は星形成率 (年間あたり、何太陽質量分の星が新たに生成されているか) を示している。また、銀河の数密度に対応して、背景を青く色づけしている。
もしダークマター (暗黒物質) が見えれば、このように見えることだろう。上部に例示されているのは五つの銀河の画像と赤方偏移 (z) 。下部に示した地球や SDSS 銀河マップとの位置関係をみると、FastSound が非常に遠方、すなわち昔の時代の宇宙三次元地図を描き出したことが分かる。(SDSS は、より近傍の銀河の三次元地図を作成したプロジェクト) (クレジット：国立天文台、一部データ提供：CFHT、SDSS)


▲2013/08/07 に公開 (クレジット：国立天文台、一部データ提供：CFHT、SDSS)

◆FastSound の最終目標は単に宇宙の地図をつくることではない。 現在、宇宙の膨張が加速していることが知られており、現代宇宙論の最大の謎とされている。 この加速の原因として、未知のエネルギーである「ダークエネルギー」が関与していることや、重力の基本理論である一般相対性理論が宇宙の大きなスケールで破綻している可能性などが考えられている。

◆ FastSoundの主要科学目標は、得られた大規模構造の中での銀河の運動を精密に測り、大規模構造の成長速度が一般相対性理論で予言されるものと一致しているかどうかを検証することである。 このような宇宙論の精密観測により、宇宙の加速膨張の謎がだんだん明らかになってくると期待されている。

最初に示した図は、FastSound の観測予定の1/4程度の領域で観測された 1,100 個あまりの銀河による三次元地図である。 天球面方向に6億光年四方、奥行き方向に20億光年に渡る領域で描き出された９０億年前の宇宙の大規模構造は、現在と比べるとまだそれほど発達していないが、現在の宇宙につながる原始の構造と言える。 銀河の色は星形成率（年間あたり、何太陽質量分の星が新たに生成されているか）を示している。 また、銀河の数密度に対応して、背景を青く色づけしている。
宇宙にはダークマター（暗黒物質）が存在し、銀河の密度より10倍ぐらい高い密度を持っていて、宇宙の大規模構造もこのダークマターの重力により形成されると考えられている。

◆すばる望遠鏡 Hyper Suprime-Cam が描き出した
◆最初のダークマター地図
【2015年7月1日】
国立天文台、東京大学カブリ IPMU などの研究者からなる研究チームは、すばる望遠鏡に新しく搭載された超広視野主焦点カメラ Hyper Suprime-Cam (ハイパー・シュプリーム・カム, HSC) を用いて、「ダークマター」の分布の広域探査を進めている。

◆今回研究チームは、HSC での観測初期に取得されたデータを用いた解析から、2.3 平方度にわたる天域におけるダークマターの分布を明らかにし、銀河団規模のダークマターの集中がこの天域に９つ存在することを突き止めた。 (動画、図１)
　　　　　　　　

▲すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ Hyper Suprime-Cam が写し出した無数の銀河と、重力レンズ解析で得られたダークマターの分布図。(クレジット：国立天文台/HSC Project)


▲図１: Hyper Suprime-Cam で観測された天体画像の一部 (大きさ 14 分角 × 8.5 分角) と、解析で得られたダークマター分布図 (等高線)。クレジット：国立天文台/HSC Project)

◆ダークマター分布の広域探査は、宇宙膨張を支配する「ダークエネルギー」の強さや性質を調べる上でカギとなる。
今回の初期成果により、ダークエネルギーの謎に迫るために必要な観測装置と解析手法が確立したことが示された。研究チームは最終的に観測天域を 1000 平方度以上に広げ、ダークマターの分布とその時間変化から宇宙膨張の歴史を精密に計測する、という課題に取り組むことになる。