グレート・オブザバトリーズ・プログラム

NASAのGreat Observatories 衛星シリーズは、1990 年から 2003 年にかけて打ち上げられた4 つの大型で強力な宇宙天文望遠鏡です。これらの衛星は、ガンマ線、X 線、可視光線、紫外線、赤外線など、 電磁スペクトルの特定の波長/エネルギー領域を調べるために、さまざまな技術で構築されました。

ハッブル宇宙望遠鏡(HST) は、主に可視光と近紫外線を観測します。1990年にスペースシャトルディスカバリー号のSTS-31で打ち上げられましたが、主鏡の研磨が不適切だったため球面収差が生じ、望遠鏡の性能が低下しました。光学系は1993年のSTS-61整備ミッションで意図した品質に修正されました。1997年にはSTS-82整備ミッションで近赤外線範囲の性能が追加され、2009年にはSTS-125整備ミッションで望遠鏡が改修され、予想耐用年数が延長されました。2024年7月現在も運用が続いています^{[アップデート]}。

コンプトンガンマ線観測所（CGRO）は主にガンマ線を観測していたが、硬X線も観測していた。1991年にSTS-37でアトランティスに搭載されて打ち上げられた。2000年にジャイロスコープが故障したため 軌道から外された。

チャンドラX線天文台（CXO）は、主に軟X線を観測する。1999年にコロンビア号のSTS-93で楕円高地球軌道に打ち上げられ、当初は先進X線天文施設（AXAF）と名付けられた。2024年7月現在も稼働中である^{[アップデート]}。

スピッツァー宇宙望遠鏡（SST）は赤外線スペクトルを観測しました。2003年にデルタIIロケットで地球追尾軌道に打ち上げられました。2009年に液体ヘリウム冷却材が枯渇したため機能が低下し、短波長画像モジュールが2つだけになりました。2020年1月30日に運用が中止され、セーフモードになりました。

グレート・オブザーバトリー計画の概念は、1979年のNRC報告書「1980年代の宇宙天文学と天体物理学の戦略」で初めて提案された。^[1]この報告書はグレート・オブザーバトリー計画の重要な基礎を築き、ピーター・マイヤー（1977年6月まで）が議長を務め、その後ハーラン・J・スミス（出版を通じて）が議長を務めた。1980年代半ばには、フランク・マーティンやチャーリー・ペレリンを含むNASA本部の天体物理学部門のディレクター全員によってさらに推進された。NASAの「グレート・オブザーバトリー」計画では、地上システムでは不可能な方法でスペクトルの異なる部分をカバーするように設計された4つの別々の衛星が使用された。この観点から、提案されたX線および赤外線観測所は、ハッブル宇宙望遠鏡とCGROで始まった天文学計画の継続として適切に見られ、競合相手や代替品として見られることはなかった。^{[2] [3]} NASAが発行し、NASA天体物理学部門とNASA天体物理学管理ワーキンググループ向けに作成された2つの説明文書には、一連の観測所の根拠とスペクトル全体にわたって対処できる質問が示されていました。^{[4] [5]}これらは、4つの望遠鏡の承認を獲得し維持するためのキャンペーンで重要な役割を果たしました。^[要出典]

ハッブル宇宙望遠鏡の歴史は、天文学者 ライマン・スピッツァーが論文「地球外天文台の天文学的利点」を書いた1946年にまで遡ります。^[6]スピッツァーはキャリアの多くを宇宙望遠鏡の推進に費やしました。

1966年から1972年にかけて行われた軌道上天文台ミッションは、宇宙からの観測が天文学において果たす重要な役割を実証した。1968年、NASAは3メートルの鏡を備えた宇宙反射望遠鏡の確固たる計画を策定し、暫定的に大型軌道上望遠鏡または大型宇宙望遠鏡（LST）と呼ばれ、1979年に打ち上げが予定されていた。 ^[7]議会は最終的に1978年に3,600万ドルの予算を承認し、1983年の打ち上げを目指してLSTの設計が本格的に始まった。1980年代初頭、この望遠鏡はエドウィン・ハッブルにちなんで命名された。

ハッブル宇宙望遠鏡は当初、スペースシャトルで回収・地球に帰還する予定だったが、回収計画は後に断念された。2006年10月31日、NASA長官マイケル・D・グリフィンは最終的な改修ミッションの実施を承認した。 2009年5月11日に打ち上げられたスペースシャトルアトランティスによる11日間のSTS-125ミッションでは、^[8]新しいバッテリーの装着、全てのジャイロスコープの交換、コマンドコンピュータの交換、いくつかの機器の修理が行われ、広視野カメラ3と宇宙起源分光器が搭載された。^[9]

ガンマ線は、初期の宇宙ミッションで大気圏上で調査されていた。 1977年の高エネルギー天文台計画で、NASAはガンマ線天文学のための「偉大な観測所」を建設する計画を発表した。ガンマ線観測所（GRO）はコンプトンガンマ線観測所（CGRO）と改名され、1980年代の検出器技術の大きな進歩を活用するように設計された。14年間の努力を経て、CGROは1991年4月5日に打ち上げられた。^{[10]コンプトンガンマ線観測所の3つの}ジャイロスコープのうち1つが1999年12月に故障した。観測所は2つのジャイロスコープで完全に機能していたが、2つ目のジャイロスコープが故障すると、軌道の減衰により最終的に地球に帰還する際に衛星を制御できなくなるとNASAは判断した。 NASAは代わりに、2000年6月4日にコンプトンの事前の軌道離脱を選択しました。^[11]再突入を生き延びた部品は太平洋に飛び散りました。

1976年、リカルド・ジャコーニとハーヴェイ・タナンバウムがNASAにチャンドラX線天文台（当時はAXAFと呼ばれていた）を提案した。翌年、マーシャル宇宙飛行センター（MSFC）とスミソニアン天体物理観測所（SAO）で準備作業が開始された。その間、1978年にNASAは世界初の撮像X線望遠鏡、アインシュタイン天文台（HEAO-2）を軌道に乗せた。チャンドラ計画は1980年代から1990年代にかけて続けられた。1992年、コスト削減のため宇宙船の設計が変更された。計画されていた12枚の鏡のうち4枚が削除され、科学機器6台のうち2台も削除された。チャンドラの計画軌道は楕円軌道に変更され、月の最遠点の3分の1に達することになった。これにより、スペースシャトルによる改良や修理の可能性はなくなったが、観測所は軌道の大半にわたって 地球の放射線帯の上空に置かれた。

1970 年代初頭までに、天文学者は地球の大気圏の遮蔽効果を超えて赤外線望遠鏡を設置する可能性を検討し始めました。初期の構想のほとんどは、NASA のスペース シャトルに搭乗して繰り返し飛行することを想定していました。このアプローチは、シャトル プログラムが最長 30 日間の毎週の飛行をサポートできると推定されていた時代に開発されました。1979 年、米国科学アカデミーの国立研究会議の報告書「1980 年代の宇宙天文学と天体物理学の戦略」では、シャトル赤外線望遠鏡施設(SIRTF) が「スペースラボ(シャトル搭載プラットフォーム) 用に [開発される] 2 つの主要な天体物理学施設の 1 つ」と特定されました。

赤外線天文衛星（Explorer 級の衛星で、天空の初の赤外線調査を行うために設計された）の打ち上げにより、新しい赤外線検出技術を使用した機器への期待が高まった。1983 年 9 月までに、NASA は「長期 [フリーフライヤー] SIRTF ミッションの可能性」を検討していた。1985 年のスペースラボ 2のSTS-51-F飛行では、シャトルの環境は搭載型赤外線望遠鏡に適しておらず、フリーフライヤー設計の方が適していることが確認された。名前の最初の単語はシャトルから変更され、宇宙赤外線望遠鏡施設と呼ばれるようになった。^{[12] [13]}

スピッツァーは、大天文台の中で唯一、スペースシャトルで打ち上げられなかったものである。当初はスペースシャトルで打ち上げられる予定だったが、チャレンジャー号の事故後、太陽中心軌道に乗せるために必要だったセントール LH2 / LOX 上段ロケットがシャトルでの使用を禁止された。タイタンとアトラスの打ち上げロケットはコスト上の理由でキャンセルされた。再設計と軽量化の後、2003年に代わりにデルタIIロケットで打ち上げられた。打ち上げ前は宇宙赤外線望遠鏡施設(SIRTF)と呼ばれていた。2020年1月30日に運用が終了したため、望遠鏡は非活性化された。

地球の大気はX線、ガンマ線^[14]、遠赤外線 が地上に到達するのを妨げるため、コンプトン、チャンドラ、スピッツァーの各天文台にとって宇宙ミッションは不可欠でした。ハッブル望遠鏡は大気圏上にあることでも恩恵を受けており、地上からの非常に暗い天体の観測では大気がぼやけて空間分解能が低下します（ただし、明るい天体は、天文干渉計や補償光学を使用して地上からハッブル望遠鏡よりもはるかに高い分解能で撮影できます）。より大型の地上望遠鏡が、暗い天体の近赤外線波長の分解能でハッブル望遠鏡に匹敵したのはごく最近のことです。大気圏上にあることで大気光の問題がなくなり、ハッブル望遠鏡は超暗い天体の観測が可能になります。地上の望遠鏡は超暗い天体の大気光を補正できないため、非常に暗い天体には扱いにくく非効率的な露出時間が必要になります。ハッブル望遠鏡は、大気を透過しない 紫外線波長での観測もできます。

各観測所は、電磁スペクトルのその領域における技術水準を押し上げるように設計されました。コンプトンは、以前のHEAOミッションで飛行したどのガンマ線計測器よりもはるかに大きく、まったく新しい観測領域を開拓しました。コンプトンは、20 keVから 30 GeVのエネルギー範囲をカバーする 4 つの計測器を備えており、感度、解像度、視野が互いに補完し合っていました。ガンマ線は、ブラックホール、パルサー、超新星など、さまざまな高エネルギー高温源から放射されます。

チャンドラも同様に地上の先行衛星がなかった。チャンドラは、NASA HEAO 計画の3 つの衛星、特に大成功を収めたアインシュタイン天文台に続くもので、斜入射、焦点を合わせる X 線光学系の威力を初めて実証し、コリメートされた機器 (光学望遠鏡に匹敵)よりも桁違いに優れた空間分解能と、感度の大幅な向上を実現した。チャンドラの大型、高軌道、高感度CCDにより、非常に微弱な X 線源の観測が可能になった。

スピッツァーは、地上の望遠鏡ではほとんど観測できない波長でも観測を行っている。宇宙では、NASA の小規模なIRASミッションと欧州宇宙機関(ESA) の大型ISO望遠鏡が先行していた。スピッツァーの機器は、IRAS 以来の赤外線検出器技術の急速な進歩と、大口径、良好な視野、長寿命を組み合わせ、優れた科学的成果を生み出した。^[要出典]赤外線観測は、すべての可視光が赤方偏移して赤外線波長になる非常に遠方の天体、可視光をほとんど放射しない低温の物体、および塵によって光学的に隠された領域に必要である。

本来のミッション能力 (特に地上の観測所では再現できない感度) とは別に、グレート オブザーバトリー プログラムでは、ミッションを相互に連携させて科学的な成果を高めることができます。さまざまな物体はさまざまな波長で輝きますが、2 つ以上の観測所を 1 つの物体に向けることで、より深い理解が得られます。

高エネルギー研究（X線およびガンマ線）では、これまで中程度の画像解像度しかありませんでした。ハッブル、チャンドラ、コンプトンでX線およびガンマ線天体を研究すると、正確なサイズと位置のデータが得られます。特に、ハッブルの解像度では、対象が独立した天体なのか、親銀河の一部なのか、明るい天体が渦巻銀河の核、腕、またはハローにあるかどうかを判別できることがよくあります。同様に、スピッツァーの口径が小さいため、ハッブルはスピッツァーの画像に細かい空間情報を追加できます。2016年3月に報告されたように、スピッツァーとハッブルは、最も遠い既知の銀河であるGN-z11を発見するために使用されました。この天体は、134億年前に現れた状態で観察されました。^{[15] [16]}（最も遠い天体の一覧）

ハッブル望遠鏡による紫外線の研究は、高エネルギー物体の時間的状態も明らかにする。X線とガンマ線は、現在の技術では可視光線や紫外線よりも検出が難しい。そのため、チャンドラ望遠鏡とコンプトン望遠鏡は、十分な光子を集めるために長い積分時間を必要とした。しかし、X線やガンマ線で光る物体は小さく、数分または数秒のタイムスケールで変化する可能性がある。そのような物体は、ハッブル望遠鏡またはロッシX線タイミングエクスプローラーによる追跡調査が必要となる。ロッシ望遠鏡は、設計の違いにより、角度秒または数分の1秒単位で詳細を測定できる。ロッシ望遠鏡が最後にフル稼働したのは2011年だった。

スピッツァーは塵や濃いガスを透過して観測できるため、銀河核の観測に適しています。銀河の中心にある巨大な物体は、X 線、ガンマ線、電波で光りますが、これらの雲に覆われた領域を赤外線で調査すると、物体の数や位置がわかります。

一方、ハッブルには、興味深い天体をすべて研究するだけの視野も時間もありません。価値のある対象は、より安価な地上望遠鏡や、時には空の広い範囲をカバーするように特別に設計された小型の宇宙望遠鏡で見つかることが多いです。また、他の 3 つの大天文台でも、ハッブルの代わりとなる価値のある興味深い新しい天体が発見されています。

観測所の相乗効果の一例としては、太陽系と小惑星の研究がある。小さな衛星や小惑星などの小天体は、ハッブルでさえ直接解像するには小さすぎたり遠すぎたりするため、その画像は大きさではなく明るさで決まる回折パターンとして現れる。しかし、ハッブルは天体のアルベドの情報を通じて最小サイズを推測することができる。スピッツァーは天体の温度の情報を通じて最大サイズを決定できるが、温度は主に軌道からわかる。したがって、天体の真の大きさは括弧で囲まれている。スピッツァーによるさらなる分光分析によって天体表面の化学組成を決定できるため、アルベドの可能性が制限され、したがって小さいサイズの推定がより明確になる。

宇宙の距離の階段の反対側では、ハッブル、スピッツァー、チャンドラによる観測がグレート・オブザバトリーズ・オリジンズ・ディープ・サーベイで統合され、初期宇宙における銀河の形成と進化の多波長画像が得られました。

ハッブル宇宙望遠鏡、スピッツァー宇宙望遠鏡、チャンドラX線天文台が捉えた天の川銀河中心

4 つの望遠鏡はすべて、天文学に大きな影響を与えてきました。コンプトン、チャンドラ、スピッツァーによる高解像度、高感度の観測に新しい波長帯が開かれたことで、さまざまな天体に対する理解が一変し、何千もの新しい興味深い天体の発見につながりました。ハッブル望遠鏡は、他の望遠鏡よりもはるかに大きな社会的影響とメディアの影響を及ぼしましたが、可視波長では、ハッブル望遠鏡は既存の機器よりも感度と解像度の点で控えめな改善をもたらしました。ハッブル望遠鏡は、いつでもあらゆる天体の均一な高品質画像を撮影できるため、多数の天体の正確な調査と比較が可能になりました。ハッブル ディープ フィールド観測は、遠方の銀河の研究にとって非常に重要でした。なぜなら、これらの天体の静止フレーム紫外線画像を、より近い銀河の以前の紫外線画像と同数のピクセルで提供し、直接比較できるようにするためです。

• ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は2021年12月に打ち上げられ、ハッブル宇宙望遠鏡と同時に稼働している。^[17]分割された展開式ミラーはハッブル宇宙望遠鏡の2倍以上も広く、角度分解能が著しく向上し、感度が劇的に向上している。ハッブル宇宙望遠鏡とは異なり、JWSTは宇宙論的距離にある塵を貫通するために赤外線で観測する。つまり、スピッツァーの一部の機能は継承されているが、ハッブル宇宙望遠鏡の一部の機能は可視光、特に紫外線波長では失われている。JWSTは近赤外線でスピッツァーの性能を上回っている。2009年から2013年まで運用されていた欧州宇宙機関の ハーシェル宇宙天文台は、遠赤外線でスピッツァーを上回っている。SOFIA（成層圏赤外線天文学観測所）空中プラットフォームは、近赤外線と中赤外線で観測した。SOFIAはスピッツァーよりも口径が大きいが、相対的な感度は低かった。
• フェルミガンマ線宇宙望遠鏡（FGRST）は、以前はガンマ線大面積宇宙望遠鏡として知られ、2008年6月11日に打ち上げられたコンプトンの後継機です。^[18] FGRSTはより狭く定義されており、はるかに小型です。搭載されているのは1つの主要機器と、二次実験である大面積望遠鏡（LAT）とガンマ線バーストモニター（GBM）のみです。FGRSTは、2004年に打ち上げられたスイフトと、その前に2000年に打ち上げられたHETE-2によって補完されています。
• 2002 年に打ち上げられたルーベン・ラマティ高エネルギー太陽分光撮像装置(RHESSI) は、コンプトンおよびチャンドラ波長の一部を観測しますが、常に太陽に向けられています。時折、太陽の周囲に偶然見える高エネルギー物体を観測します。
• もう一つの大型高エネルギー観測所は、2002年に打ち上げられたヨーロッパの国際ガンマ線天体物理学研究所であるINTEGRALです。コンプトンと同様の周波数で観測を行います。INTEGRALは、符号化開口マスクという根本的に異なる望遠鏡技術を使用しています。そのため、その機能はコンプトンやフェルミを補完するものです。

• アインシュタインを超える計画は、科学の新しい分野を開拓することを目指します。コンステレーションXとレーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）は、現在の世代と区別するためにNASAによってアインシュタイン大天文台と呼ばれています。しかし、これらは大天文台計画の一部ではありません。^[19]

• 国際太陽地球物理科学イニシアチブ（ISTP）は、大天文台計画の精神を受け継ぎ、太陽と地球近傍の関連する電磁現象を研究するための機器のグループです。^[20]

2016年、NASAは4つの異なるフラッグシップ 宇宙望遠鏡の検討を開始しました。 ^[21]これらは、居住可能な太陽系外惑星イメージングミッション（HabEx）、大型紫外線光学赤外線サーベイヤー（LUVOIR）、オリジンズ宇宙望遠鏡（OST）、およびリンクスX線天文台です。2019年に、4つのチームは最終報告書を米国科学アカデミーに提出し、その独立した10年調査委員会がNASAにどのミッションを最優先すべきかについて助言します。^[21]

NASAは、大型紫外線光学赤外線探査機（LUVOIR）と居住可能な太陽系外惑星画像ミッション（HabEX）の提案を基盤とした、ハビタブル・ワールドズ・オブザーバトリー（HWO）を2023年に発表した。 ^[22]また、政権はハビタブル・ワールドズ・オブザーバトリーの開発のためにグレート・オブザーバトリー成熟プログラムも創設した。^[23]

• アインシュタインプログラムを超えて
• ハーシェル宇宙望遠鏡（遠赤外線宇宙観測衛星、2009年～2013年）
• 宇宙望遠鏡のリスト

• Armus, L.; et al. (2021). 「偉大な天文台：パンクロマティック天体物理学の過去と未来」。arXiv ： 2104.00023 [ astro-ph.IM]。

• 「飛行前ビデオ (STS-93)」NASA。2002年4月9日。2007年12月9日時点のオリジナルからアーカイブ。 2007年11月27日閲覧。STS -93の主要ペイロードであるチャンドラX線観測衛星を含むNASAのグレート・オブザーバトリーの詳細な説明。
• STS-125: ハッブル宇宙望遠鏡への最後のシャトルミッション 2015年7月16日アーカイブ - Wayback Machine
• WorldWide Telescope を使用したインタラクティブな素晴らしい天文台