ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）とは？｜赤外線で「宇宙の始まり」を観測する仕組み

2021年12月25日21時20分(日本時間)、人類は新しい宇宙の眼である「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）」を宇宙へと打ち上げました。

数々の美しい画像を届けてくれたハッブル宇宙望遠鏡の「後継機」として紹介されることが多いJWSTですが、その姿は全く異なります。筒状のハッブルに対し、JWSTはむき出しの金色の六角形ミラーを並べた独特な構造をしています。

なぜ、このような特殊な形をしているのでしょうか。それは、JWSTが観測する光の種類がハッブルとは異なるからです。ハッブルが主に人間の目に見える「可視光」を捉えていたのに対し、JWSTは目に見えない「赤外線」を専門に観測するよう設計されています。

この「赤外線で宇宙を見る」という選択にこそ、現代の天文学がJWSTを必要とした科学的な理由が隠されています。

宇宙の歴史を遡るための「赤外線」という選択

JWSTの最大の目的の一つは、約138億年の歴史を持つ宇宙において、「最初の星」や「最初の銀河」がどのように生まれたのかを観測することです。

赤方偏移とは何か？｜宇宙膨張で光が伸びる仕組み

宇宙の果てにある130億年以上前の銀河から発せられた光は、長い時間をかけて地球へ向かって旅をしてきます。しかし、この光が旅をしている間にも、宇宙空間そのものが膨張を続けています。

空間が伸びると、そこを通る光の波長も一緒に引き伸ばされます。光は波長が長くなるほど「赤く」なる性質があり、元々は青白く輝いていた星の可視光や紫外線も、地球に届く頃には波長の長い「赤外線」にまで引き伸ばされてしまいます。これを物理学で「赤方偏移」と呼びます。

つまり、宇宙の初期の姿を見るためには、可視光の望遠鏡では限界があります。「遠くの宇宙＝過去の宇宙」を見るためには、最初から赤外線を捉える能力に特化した望遠鏡がどうしても必要だったのです。

なぜ極低温が必要なのか？｜赤外線観測と熱ノイズの問題

しかし、赤外線を観測するためには、巨大な技術的課題をクリアしなければなりませんでした。

赤外線とは、温度を持つあらゆる物体が放射する電磁波の一種であり、特に「熱」と強く結びついた光です。もし望遠鏡そのものが太陽の光を浴びて温まってしまうと、望遠鏡自身が発する赤外線（熱）でカメラのセンサーが真っ白に飛んでしまい、はるか遠くの微弱な星の光を捉えることができません。

ラグランジュ点L2とは何か？｜JWSTが150万km彼方に配置された理由

そのため、JWSTは自らを極寒の環境（マイナス233℃以下）に保つ必要があります。

これを実現するため、JWSTは地球から約150万km離れた「第2ラグランジュ点（L2）」と呼ばれる特殊な軌道に配置されました。この位置からは、太陽と地球が常に同じ方向にあります。

そして、太陽と地球からの強烈な光と熱を遮断するために、テニスコートほどの広さを持つ5層の巨大な日よけ（サンシールド）を展開しています。日よけの太陽側は80℃以上の高温になりますが、望遠鏡のある裏側はマイナス233℃という極低温が保たれています。

JWSTのあの奇妙な形は、熱力学の法則に従って「熱を遮断し、赤外線だけを抽出する」という極めて合理的な構造の現れなのです。

科学的目的：系外惑星の「大気」を読み解く

JWSTがもたらす革新は、過去の宇宙を見るだけにとどまりません。もう一つの重要な科学的目的が、「太陽系外惑星の大気観測」です。

遠くの恒星の周りを回る惑星が、恒星の手前を横切るとき、恒星の光は惑星の大気をわずかに通過して地球に届きます。JWSTは、この大気を通過した赤外線を精密に分析（分光観測）することで、そこに水蒸気やメタン、二酸化炭素といった物質がどれだけ含まれているかを特定できます。

これは、将来的に「地球以外に生命が存在できる環境があるか」という人類最大の問いに、科学的なデータで答えるための重要なステップです。

過去の光を見上げる

JWSTのミッションは、単なる美しい宇宙の写真を撮ることではありません。光の波長の変化や熱力学の課題を乗り越え、宇宙の始まりや惑星の環境という「構造」をデータとして読み解くための科学的挑戦です。

今夜、星空を見上げたとき、私たちの目に見えている星の光は、宇宙のほんの一部にすぎません。目に見えない赤外線という光の帯には、130億年前に灯った最初の星の産声や、名もなき惑星を包む大気の情報が確かに刻まれています。

150万km彼方の冷たい暗闇で、その微かな光を集め続ける巨大な鏡の存在を知ると、夜空の奥行きが少し違って感じられるのではないでしょうか。

参考文献

• NASA｜Webb’s Launch
• NASA｜James Webb Space Telescope
• NASA｜NASA’s Webb Takes Star-Filled Portrait of Pillars of Creation