学生たちが作った超高圧気球が暗黒物質を探すために地球上空を巡航中

高高度気球は最近、多くの非難を浴びている。2月には、米軍が中国政府が運営していた可能性のある偵察気球と、後に趣味の気球だった可能性が高いと判明した「未確認飛行物体」を撃墜した。

そのため、5 月初旬に南半球で別の大型気球が目撃されたとき、また別のスパイ装置ではないかと懸念された。しかし、それは天文学の未来、つまり成層圏を離れることなく宇宙の奥深くまで観測できる気球搭載型望遠鏡を象徴するものである。

「我々は下ではなく上を見ているのです」と、プリンストン大学の物理学教授でNASAのスーパープレッシャーバルーン撮像望遠鏡（SuperBIT）チーム責任者のウィリアム・ジョーンズ氏は言う。ニュージーランドのワナカから4月15日に打ち上げられた高さ約10フィートのこの望遠鏡は、フットボールスタジアムほどの大きさのポリエチレンフィルム製バルーンに乗って、すでに南半球を4周している。搭載された3台のカメラは、ハッブル宇宙望遠鏡に匹敵するタランチュラ星雲と触角銀河の素晴らしい画像も撮影した。SuperBITの発見は、科学者が宇宙最大の謎の1つである暗黒物質の性質を解明するのに役立つ可能性がある。暗黒物質は理論的には目に見えない物質で、目に見える物体に対する重力の影響からのみ知られている。

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科学者は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような次世代の観測所を使って暗黒物質を調査することができる。その大きな鏡と地球の乱れた大気圏外にある位置を利用して、非常に遠くの天体の鮮明な画像を得ることができる。しかし、宇宙望遠鏡を開発し、強力なロケットで打ち上げるには多額の費用がかかる。たとえば、ハッブル宇宙望遠鏡を軌道に乗せるには約15億ドルかかり、JWSTをラグランジュ点2に送るには約100億ドルかかった。

SuperBIT の打ち上げにはわずか 500 万ドルしかかかりませんでした。これは、気球がロケットに比べて比較的安価であることと、熟練労働者がシステムを構築するための参入障壁が低いことから生じた価格低下です。

「すべては学生によって運営されています。だからこそ、こうしたプロジェクトは機敏に動き、限られたリソースで多くのことを成し遂げることができるのです」と、プリンストン大学、英国のダラム大学、カナダのトロント大学による共同プロジェクトであるスーパービットについてジョーンズ氏は語る。「このプロジェクトにフルタイムで取り組んでいるプロのエンジニアや技術者はいません。大学院生だけが、このプロジェクトにフルタイムで集中できるという贅沢を享受しているのです。」

スーパービットは、気球で打ち上げられた最初の望遠鏡ではない。その栄誉は、プリンストン大学の別の天文学グループが1957年に建造したストラトスコープIに与えられる。しかし、スーパービットは、いわゆる超高圧気球に関するNASAの20年にわたる研究によって実現した数少ない新しい観測所の1つである。その研究は、2015年に始まった試験飛行と、画期的なスーパービットの打ち上げでようやく結実した。

従来の気球には浮力ガスが入っており、太陽熱や高度による気圧の変化で膨張します。これにより気球の体積が変化し、その結果気球の浮力も変化し、一定時間にわたって高度を一定に保つことが不可能になります。

超圧気球は、浮力ガス（通常はヘリウム）を主気球内部で加圧し、容積と浮力が昼夜を問わず一定に保たれるようにします。次に、主気球の内部または下部にある小型気球（バロネット）をバラストとして使用し、圧縮空気のポケットを充填または空にして高度を変更し、効果的に船を操縦します。

SuperBIT を搭載した超高圧気球は、3,500 ポンドの科学機器を搭載しながら、高度 108,000 フィート (地球の大気の 99.2 パーセントより高い) を維持できます。JWST や他のミッションとは異なり、SuperBIT 望遠鏡の目的は、宇宙のより遠く、より広い範囲を観測したり、太陽系外惑星を発見したりすることではなく、より普遍的で謎めいた存在の兆候を探すことです。

「暗黒物質は、私たちが日常の観察でよく知っている元素や粒子のどれからもできていません」とジョーンズ氏は言う。とはいえ、私たちの周囲には暗黒物質が大量に存在し、宇宙の約 27 パーセントを占めている可能性がある。「私たちが目にする通常の物質、つまり星やガスなどに暗黒物質が及ぼす重力の影響から、このことがわかっています」とジョーンズ氏は説明する。これらの物質は宇宙の約 5 パーセントを占めている。

科学者たちは、宇宙の残りの 67 パーセントはダーク エネルギーでできていると推定しています。ダーク エネルギーは、ダーク マターと混同してはならない、もう 1 つの謎に包まれた物質です。ダーク マターの重力は銀河を引き寄せ、宇宙の分布構造を形成するのに役立っている可能性がありますが、ダーク エネルギーは宇宙全体の加速膨張の原因である可能性があります。

研究者たちは、暗黒物質が存在する可能性のある極限の力を探り、その存在を計算するために、重力によって遠方の物体から通過する光が曲げられるほど巨大な銀河団を観測する。これは重力レンズ効果と呼ばれる手法だ。天文学者はこの手法を使って銀河を一種の拡大レンズに変え、通常よりも遠くの物体を見ることができる（JWST が得意とする分野）。また、この手法では、その「レンズ」を構成する銀河団の質量や、その周囲の暗黒物質の量も明らかにできる。

「暗黒物質がどれだけあるか、そしてそれがどこにあるのかを計測した後、私たちは暗黒物質が何であるかを解明しようとしています」と、スーパービット科学チームのメンバーであり、ダーラム大学の物理学教授であるリチャード・マッシーは言う。「私たちは、暗黒物質の塊が偶然に衝突している宇宙の数少ない特別な場所を観察することでこれを行っています。」

それらの場所には、地球から約 6000 万光年離れた場所で衝突が進行中の 2 つの大きなアンテナ銀河が含まれます。マッシー氏らはハッブル望遠鏡を使用してアンテナ銀河を研究してきましたが、「その視野は暗黒物質の巨大な衝突を見るには小さすぎます」とマッシー氏は言います。「そのため、SuperBIT を構築する必要がありました。」

ハッブル同様、スーパービットは可視光線から紫外線までの範囲、つまり 300 から 1,000 ナノメートルの波長の光を観測します。しかし、ハッブルの最も広い視野が 10 分の 1 度未満であるのに対し、スーパービットの視野は 0.5 度と広く、一度に広い範囲の空を撮影できます。これは、スーパービットの鏡が小さい (ハッブルの 1.5 メートルに対して直径 0.5 メートル) にもかかわらずです。

SuperBIT には宇宙望遠鏡にはない利点がもう 1 つあります。開発から展開までの時間が短く、放射線、極端な温度、宇宙ゴミから保護するための複雑なアクセサリが不要なため、SuperBIT チームは既存の宇宙望遠鏡よりもはるかに高度なカメラ センサーを使用できました。ハッブルのワイド フィールド カメラ 3 には 8 メガピクセルのセンサーが 2 つ搭載されていますが、SuperBIT には 60 メガピクセルのセンサーが搭載されているとジョーンズ氏は言います。気球で運ばれるこの望遠鏡は、飛行終了後にパラシュートで降下するように設計されているため、科学者は地上から定期的に技術を更新できます。

「私たちは現在、今後 100 日間、24 時間体制で SuperBIT と通信しています」とマッシー氏は言う。「この衛星は、南極光、アンデス山脈の乱気流、太平洋の真ん中の静かな寒さを経験しながら、4 度目の地球周回を終えたばかりです。」ジョーンズ氏によると、チームは 8 月下旬にシステムを回収する予定で、おそらくアルゼンチン南部で回収される予定だという。

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SuperBIT は単なる始まりに過ぎないかもしれない。NASA はすでに、ハッブル宇宙望遠鏡と同じ幅の鏡を備えたギガピクセル級のバルーン イメージング テレスコープ (GigaBIT) の開発に資金を提供している。この望遠鏡は、同じ光のスペクトルを感知するどの宇宙望遠鏡よりも安価になると予想されるだけでなく、「近い将来に宇宙に打ち上げられる可能性のあるものよりもはるかに強力」であるとジョーンズ氏は言う。

SuperBIT が暗黒物質の謎を解明するかどうかについては、まだ判断するには時期尚早である。数回の飛行の後、大学院生たちはプロジェクトの調査結果をじっくりと検討する必要がある。

「[データ]は何を教えてくれるでしょうか？誰にも分かりません！それがこの研究の面白さであり、また秘密でもあります」とマッシー氏は言う。「2,000年にわたる科学の歴史を経ても、宇宙で最も一般的な2種類の物質が何なのか、またそれがどのように振る舞うのか、私たちはまだまったくわかっていません。」