TMT/IRISの光学設計が 第21回 光設計優秀賞を受賞!

TMTの第一期観測装置 IRIS (InfraRed Imaging Spectrograph)は、近赤外線での撮像と分光を行うための装置です。現在は、米国、カナダ、日本が協力して詳細設計を進めています。2018年10月、このIRISの日本担当部分の設計手法と光学設計に対して、「光設計優秀賞」が授与されました。

光設計優秀賞を受賞した都築俊宏 技術員

光学設計とはレンズやミラーなどの光学素子を適切に組み合わせ、装置に必要な仕様を満たす配置を決めることです。光学設計自体は、皆さんお使いのカメラや携帯電話で使われているレンズなど、様々な製品で実施されています。ただし、TMTなど最先端の天文観測機器での光学設計には独特でかつ挑戦的な要求があります。

IRISの構成。IRSは高さ約3メートルの巨大な装置で、日本は中間部にある撮像系の設計と製作を担当します。

IRISの光学設計で最も挑戦的な要求は、「結像性能」と「スループット」の両立でした。最初の「結像性能」とは、星や銀河の像がいかにボケないようにするかということです。IRISでは、設定された視野と波長範囲の双方で、極低波面収差を実現しなければなりません。もう一つの要求の「スループット」とは、星や銀河の光をいかに損失なしに集めるかということです。ミラーやレンズなど光学素子を使用した場合、すべての光が反射や透過をするわけではなく、必ずいくらかの光の損失があるため、使用する光学素子はできるだけ減らして設計するなどの工夫が必要です。TMTは世界有数の大口径望遠鏡となるため、主鏡で集めた光は科学的に極めて貴重で、価値のあるものとなります。そのため、光学系のスループットの改善は、とても大きな価値があります。

「結像性能」と「スループット」の両立を実現するにあたり、私(都築) は新しい光学設計手法を考案しました。その設計手法を用いた結果、光学設計は結像性能要求を満足しただけでなく、従来の設計に比べてスループットを相対比で8%向上させることができました。この光学設計はIRISの最も有望な解として採用され、基本設計審査を通過することができました(2016年12月2017年10月の記事)。

私が所属する国立天文台 先端技術センターは、最先端の天文観測機器の開発拠点です。TMTの第一期観測装置 IRIS、WFOSについても、光学設計、機械設計、試験などを先端技術センターで行っています。今後もさまざまな面でTMTの開発に貢献していければと思います。

IRIS撮像部の光学設計解

(国立天文台 先端技術センター 都築俊宏)

 

※ 光設計賞:一般社団法人 日本光学会 光設計研究グループが年に一度、光設計分野に関連する優れた研究・技術・発明を表彰するもの。過去の天文関係の受賞では、「すばる望遠鏡レーザーガイド補償光学系の開発」で国立天文台の家正則氏らが光設計特別賞を、「すばる望遠鏡を超広視野化する主焦点補正レンズの開発」でキヤノン株式会社の松田 融氏が光設計特別賞を受賞しています。優秀賞は今回の受賞が初めてとなります。

第21回光設計優秀賞 (日本光学会 光設計研究グループ)

沖縄のサイエンスフェスタで講演

11月17日に、沖縄科学技術大学院大学(OIST)キャンパスで一般公開イベントOIST サイエンスフェスタ2018が開催され、TMT推進室の家が「宇宙の時代がやってくる」と題してTMTを軸にした講演を行いました。OISTは沖縄科学技術大学院大学学園法に基づき、2011年度に沖縄県恩納村に開設された内閣府所管の学校法人であり、約60の研究ユニットからなる5年一貫性の大学院大学です。研究者の約半数は国際スタッフであり、事務方も含めて英語で運営が回っている国際水準の研究所です。豊かな自然の景観を活かして建物が配置されたキャンパス内には研究者家族で暮らせる専用宿舎ヴィレッジもあります。神経科学、数学・計算科学、化学、分子・細胞・発生生物学、環境・生態学、物理学、海洋科学に大別される7分野で学際的な研究を活発に行っており、内外での認知度も急激に向上しています。先端設備を備えたユニットが多く、オリジナルな研究が展開されています。家は、縁あって、OISTの研究企画への助言をさせていただいていますが、宇宙・天文のユニットも是非設けてはとお勧めしています。

今回は約150席の講演会場が満席となり、10名ほどの方が立ち見で聴いて下さりました。博識な豆博士たちからは講演内容を先取りする相の手も入ったりして、おおいに盛り上がりました。当日のフェスタ全体の来場者は4500人規模とのことで、国立天文台三鷹の特別公開日を上回る勢いでした。

立ち見も出た講演会場 (OIST 森田洋平氏撮影)

美ら海に沈む夕日に映えるOISTキャンパス(OISTホームページより)

関連記事:本年も大盛況!OISTサイエンスフェスタ2018 (沖縄科学技術大学院大学)

八丈島でふれあい天文学

11月11日~14日に、TMT推進室の林が八丈島を訪問し、ふれあい天文学の授業を行いました。前年まで長い間ハワイ島に暮らしていた林にとって、八丈島は到着したとたん「家に帰ったよう」。火山島で、しかも玄武岩質の溶岩であることから地形が似ている、温暖な気候も似ている。八丈島が「日本のハワイ」と呼ばれることを理解した瞬間でした。到着後、さっそく近くの海岸に行き、ハワイ島と似た風景や土壌の撮影。これを、翌日から訪問する学校での説明に取り込みました。

「ふれあい天文学」は、身近にあるものと宇宙とのつながりを児童や生徒の皆さんに考えてもらう貴重な機会です。そのつながりの中で、まだわかってない謎を解き明かす上で、次世代望遠鏡が活躍するはず。しかもそれは今の小・中学生が大学生や社会人になるころに出来るものです。このため「皆さんの望遠鏡」と言い続けているのです。

さて、八丈島は晴れたら星がよく見えるところ(これも、ハワイ島ヒロとよく似ています)。児童・生徒の皆さんは、天の川をもちろんよく知っている。夏と冬では濃さに違いがあること、暗く見えるところがあることも知っています。今年の夏の火星大接近も見ていました。このため、出前授業ではそうした経験知を土台に、話を組み立てることができました。天体や望遠鏡の画像を見てもらいながらも、どちらかと言えば対話形式の授業になっていたのではないかと思います。訪問させていただいた学校は、訪問順で三根(みつね)小学校、大賀郷(おおかごう)中学校、冨士中学校、大賀郷小学校、三原(みはら)小学校、三原中学校です。

今年の授業の目玉はマイ六角形。TMTの主鏡は六角形の部品を492枚並べて1つの大きな鏡にします。本物のおよそ25分の1サイズの厚紙に、銀色の薄いステッカーを貼ってもらい、メッキをすることで反射鏡になることを実感してもらいました。ステッカーと厚紙をきちんと揃え、はみ出さないように貼るのはなかなか難しい。しかもステッカーの縁が反り返ったりする。そのあたり、本物でも困りそうな作業でした。

さらにクラスの皆さんにその六角形を集めてもらい、次々に並べていく。なぜ分割鏡が円や三角や四角ではなく、六角形であるのか、そうすることで隙間なく並べていって、全体では円に近い形を作ることができる様子を実感してもらいました。18枚、36枚など並べると(真ん中に1個分の穴を残す)、きれいな六角形になる、その段階で望遠鏡として十分に使えるようになるのだなあと想像してもらうこともできました。(注:本物は六角形を492枚並べます)

2日目の授業を終えた後、海岸沿いを散歩していたらイルカが2頭泳いでいるところを目撃。翌朝には部屋の中にヤモリ発見。これはハワイ島でゲッコと呼んで親しまれている動物です。(蚊を食べてくれるので、林にとってはゲッコがありがたい。)ウミガメも多いとのこと。道端にはこの季節でもハイビスカスの花が咲いていました。こうした動植物の様子も、ハワイ島とよく似ているのです。

限りある資源を節約しながら使う、物作りや修理に工夫をする、お互いに助け合うといった島の生活を身につけている児童・生徒の皆さんに、ハワイ島にできるTMTで働きませんか?と呼びかけをしました。本当にそういう気持ちを持ってくれる、少なくとも関心を持ち続けてもらえるとうれしいなと思いました。

(写真提供:三根小学校、大賀郷中学校、冨士中学校、大賀郷小学校、三原小学校、三原中学校)

立命館高校のサイエンスフェアで世界各地の高校生に講義

立命館高校でのJapan Super Science Fair 2018でお話をしてきました。これは立命館大学のびわこ・くさつキャンパスを会場に、世界18カ国・地域と日本の各地から集まった高校生たちが、STEM(科学・技術・工学・数学)分野の研究発表などを行うプログラムです。11月17日の午後には専門家による講義が行われ、6つの講義のうちの1つで“Cosmic Distance Ladder” (宇宙で使う距離の物差し)をテーマに、TMT推進室の林が話をしてきました。

林のクラスには豪米仏韓露台泰英加、インドネシア、ケニア、日本からの生徒たちが集まり、食い入るように話を聞き、積極的に質問したり自分の意見を述べたりしてくれました。天体に関する興味もさることながら、エンジニアリングへの興味も深く、望遠鏡ドームの形状について自然条件と建物強度との関連など食いついてきました。サイト問題に言及する生徒もいて、それは政治的な意味ではなく、地形や海流などとの関係で他にも良いサイトがあり得るだろうかというスタンスのものでした。

そして、参加者の世代が使うことになる次世代望遠鏡の例としてTMTを紹介。TMTについて日本で進むものづくりと、国際協力について紹介すると、何度もうなずいたり、身を乗り出したり。同じ教室に座っていたどうしで、将来の研究協力が実現することもあるかもしれません。

質問には、系外惑星で大気の存在が明らかなものがいくつあるのか、赤方偏移を測る際の基準波長はどうやって確定するのかといったものから、天文の研究や望遠鏡作りに取り組むことになった動機/きっかけはどのようなものであったのか、勉学の際にどういう困難があったかという進路に関するものもありました。そして望遠鏡口径はどこまで大きくできるのか、限界があるとしたらそれを補うのにはどういう方法があり得るか、30m級の望遠鏡の次の計画はどのようなものかというものも。それはみなさんの世代の課題です、と答えました。

今年で第16回目となるこのプログラムには、卒業生が教員として、あるいは裏方に入っている姿も見かけられました。高校生が将来のキャリアについて考えを巡らす、良いチャンスでもあったようです。

(写真提供:立命館高校)