せいめい望遠鏡をひらく

研究する理学学生の第2弾として、理学部4回生の円尾芽衣さんの研究をご紹介します。

卒業研究で携わってきた「せいめい望遠鏡」の開所式が2019年2月20日に行われました。その研究内容と知られざるエピソード、研究生活について円尾さんに語っていただきました。

理学部アドミッションポリシー

高校3年生の秋ぐらいに、京大理学部を受験しようと考えました。

それまで進みたい分野も定まっておらず、日本の大学だけでなくアメリカの大学へも目を向けていました。

そんなときに、京大理学部のアドミッションポリシー¹を見て、「緩やかな専門化」というフレーズの入った内容に心を動かされました。

また、尊敬する中学高校の数学の先生や親の友人が京大理学部出身だったこともあり、尊敬できる人と出会う機会の多さに期待が高まったんです。

まずはいろいろ活動してみました

京大理学部では、入学当初から分野が決まっているのではなく、1回生から2回生の間は理学分野の全般が勉強できるしくみになっているので、おもしろそうだと感じていましたが、3回生には研究基盤の専門を決める必要があることも強く意識していました。

まずはいろいろやってみようと、生物関係の活動、物理関係、文系科目も履修し、興味のある授業を受けたりフィールドワークをしたり、研究室へも伺ったりしました。

結局、3回生になる直前に宇宙物理学専攻に決めました。

物理を基盤とした研究がしたいと思ったことや、異分野融合を考えるのが好きなので宇宙物理学にその可能性を見出したことが理由です。

ところが、まださらに宇宙物理学では理論と観測と装置という研究領域に分かれていたんです。どれを選べばよいかがわからず、すべてを学んでみることにしました。

まず理論については、3回生と4回生の間の春休み２か月間に「TOMODACHI- STEM」²という、アメリカのライス大学でのプログラムに参加し、シミュレーションを用いた研究をしました。

ライス大学はヒューストンのNASAと地理的に近く、NASAとさまざま共同研究しているところが魅力でした。

私は、ハビタブルプラネット、生命が存在しうる惑星の特徴をシミュレーションで研究しているラボを訪れて研究を行いました。

観測については、アメリカのハワイ島マウナ・ケア山山頂に位置する日本の国立天文台ハワイ観測所へ行って、すばる望遠鏡と、研究・開発・事務を行うヒロ山麓施設で勉強しました。

装置については、つくばにあるKEK（高エネルギー加速器研究機構）のプログラムに参加しました。3回生が対象の夏の10日間の短いプログラムです。プランク定数³を自分で測ろうという内容でした。

これらに参加した後、最終的に装置の方に進むことにしました。

基礎的な方法を多様に組み合わせていくことによって、無理だと思っていたことができたり、問題解決ができたりするところが決め手となりました。

そして何より、京都大学には「せいめい望遠鏡」という東アジアでは最大の望遠鏡があり、学部生の私も研究で自由に触らせてもらい、携わらせてもらえるということでワクワクしました。

すばる望遠鏡のデータをチェック

せいめい望遠鏡

せいめい望遠鏡は、京都大学岡山天文台（岡山県浅口市）にあり、ここ20年くらいかけて作られてきた東アジア最大の地上望遠鏡です。

2019年2月20日（水）に、ついに開所式が行われました。

せいめい望遠鏡が完成直前の時期に卒業研究で携わらせてもらうことができ、この望遠鏡の最終調整として、ほとんど組みあがっている最後の性能評価を行いました。

望遠鏡の光学性能では、どれだけ細かいものが見えるかという「分解能」と、いかに多くの光を集めるかという「集光力」が重要です。

ですから、光学性能評価では、望遠鏡がどのくらいの解像度（正確性）で星を確認できるか、あるいはピクセル紙や携帯画面で見たときに拡大すると荒くなるところはどこか等を評価します。

そうした性能は望遠鏡によるだけでなく、上空の大気にも関係します。

風が吹いて望遠鏡が揺らぐと、星の光が揺らいでまっすぐに望遠鏡に入ってこないということも起こりうるからです。

それらを調整するために、光が入ってくる軸（光軸）をどのくらいのオーダーで合わせるかについて、望遠鏡と観測装置に分けて考え、望遠鏡の方の軸を合わせたり、鏡を合わせたりします。

このせいめい望遠鏡には、独自に開発した特徴が３つあります。

ひとつは、主鏡に分割鏡を使っているところです。

口径とは鏡の大きさで、鏡が大きいほど光がたくさん集まり光量が増えるほど良い望遠鏡とされます。世界でいちばん良いとされる、すばる望遠鏡というのは口径8.2mの1枚の鏡を使っているんですが、せいめい望遠鏡は口径3.8mの望遠鏡で、扇型の分割鏡を18枚つなぎ合わせて1枚の大きい鏡に見立てています。

最初に、星の光が1枚目の主鏡に当たって反射して次に副鏡に当たります。さらに反射して最後に第三鏡という３つめの鏡で反射して１点に集まるような仕組みになっていて、そこに観測装置を置きます。

２つめの特徴は、超高精度研削加工です。

これまで大型望遠鏡の主鏡の製作では、長い時間をかけてガラス材を研磨していました。せいめい望遠鏡の分割鏡では、超高精度な研削加工によって研磨に必要な時間を大幅に短縮することができました。

３つめの特徴は、丈夫な構造をもつ軽量架台です。

なぜ軽量架台が必要かというと、速く動かすことができるからなんですね。

たとえばA点の星を観測していて、すぐにB点に望遠鏡の向きを変えるためには、これまで数分かかっていました。

ところが、動きに時間がかかると測れないものがでてきます。パッと光って急に消えるような、超新星が爆発したすぐ後のデータがとれなかったんです。

でも、このせいめい望遠鏡は軽量架台にしたことによって数十秒で動くことができます。1回転360度回るのに、1分半で回れるんです。実際は半回転でいいんですけど。

せいめい望遠鏡

それで、今まで見ることができなかった超新星の初期段階のエネルギーが観測できるようになり、「あっ、爆発が起きた」というのがわかるんですね。

また、遺伝的アルゴリズム⁴をもとに設計を最適化したことで、この軽量化が実現されたことも注目すべきところです。

さらに、もう一つ特徴を挙げるとするならば、それはナスミス台⁵に設置予定の観測装置です。

この観測装置もいろいろ開発されていて、たとえば、ハビタブルプラネット、生命があるものを見つけることができる可能性を秘めた装置もあります。

せいめい望遠鏡という名前⁶には、そういう意味も込められているのです。

こうして、卒業研究では、せいめい望遠鏡の性能評価を行いました。

卒業研究で携わったせいめい望遠鏡

シーイング、Tポイント、そしてFaro

具体的に、性能評価では、望遠鏡のシーイング⁷を調べました。

望遠鏡のシーイングの精度を知り、シーイングの精度が充分高くなるように収めます。

また、望遠鏡がどのくらいの精度で真上を向いているのか、あるいは望遠鏡に回転指示を与えた時の値と実際の回転との誤差が充分小さいかを調べました。

さらに性能評価では、Tポイントというのがありました。ソフトの名前でテレスコープアナリシス（軸を合わせるために望遠鏡を解析）のTで、星をポイントする、星に向けるからTポイントといいます。

つまり、Tポイントをするとは、星を使って望遠鏡の軸のずれを測ることなんです。

それで、たくさんの星を観測すると精度が上がるから、「Tポイントで30ポイント」というオーダーがきました。

他には、望遠鏡の軸とイメージローテーターの軸とを揃えることをしました。

望遠鏡には、水平に回る軸と鉛直に回る軸があります。この水平と鉛直の回転を合わせて、夜に東から西に動く1点の星を追尾するんです。

なめらかに首を回わすように星をグルっと見回わすことができればよいのですが、機械はカクカクとなめらかではない動き方をします。最初に見ていたときは横にあった星が気づいたら下にあったというように、見えているゾーンがずれていきます。

そのため、視野の回転を補正するために接眼部を回転させるイメージローテーターという装置があり、望遠鏡の軸と、観測装置の手前に置いたイメージローテーターの回転軸を合わせるということを行いました。

こうした性能評価を行う作業では、工夫や発想は欠かせません。

ジャングルジムみたいな形状のせいめい望遠鏡には、「手が届かないわあ」というところによじ登ってセンサーを取り付けなければならないんです。

あたふたしながら何度も頭をぶつけそうになり、フードをかぶって、せいめい望遠鏡に当たらないようにしていました。

さらに、私が一押ししている実験器具のひとつ、Faroについてもお話します。

これは、レーザーを出して対象物との距離を測る装置です。

Faroはロボット感があるというか人間感があり、スターウォーズの映画にも登場しそうです。

望遠鏡はドームの中にあるので、夜はドームを開いて星が見えるように観測します。ドームを開く際に、全部を開くわけではなく望遠鏡で見たいところだけを開くから、望遠鏡の追尾に合わせてドームも一緒に回らなくてはならないんです。そのドームが正確に1回転しているか、再現性があるかどうかというのをチェックするため、Faroを使って測定しました。

いざ測ろうとしたら、Faroが上を向くには限界があり首が反り返らないので、対象物にレーザーを当てることができなかったんです。測定ができなくて困りました。

さて、どうするか、研究仲間と考えました。Faroは上を向けないけれど横に、左右には自由に向くことできるとわかったので、それじゃあFaroを横に寝かそうということになりました。寝かせてみると、Faroは横を向いているのですが、実際は上を測ることができました。これは、私たちにとっては画期的な発想でした。

宇宙物理学専攻の装置という研究領域を手掛ける決め手になったように、基本的な方法を組み合わせたら、解決できないと思っていた問題が解決できたということに、改めておもしろさを感じました。