Thirty Meter Telescope国際天文台： Coherentの光学系が照らす望遠鏡の明るい未来

本当に素晴らしいアイデア

ガリレオによる望遠鏡の発明以来、天文学者はより大きな機器を作ろうとしてきました。 その理由は、単純な物理学にあります。 望遠鏡が大きくなればなるほど、より精細で明るい画像を得ることができます。 これにより、より遠くまで見通すことができます。

米国、カナダ、日本、中国、インドのパートナーが集まって、Thirty Meter Telescopeを作ることになった理由はこのためです。 参考までに、現在稼働している最大の可視光波長望遠鏡の鏡の大きさは10.4 mです。 したがって、30 mの機器は、イメージング能力において非常に大きな前進を意味します。

大型の反射望遠鏡は、光学系としてレンズではなく鏡を使用しています。 ただし、直径8.5 mをはるかに超える望遠鏡の鏡を作ることは現実的ではありません。 より大きくするために、主鏡（プライマリミラー）は小さなセグメントのモザイクで構成されています。 これらの個々のミラーを六角形にすることで、光学設計が最適化されます。 これにより、円形に近い形状のセグメントを互いに非常に近づけて配置することができます。

望遠鏡は大きければ大きいほど良いのですが、画質が良いというメリットは、光学系が極めて高品質である場合にのみ得られます。 具体的には、これには鏡の全体形状が設計形態に忠実に再現されていること、および鏡の表面が滑らかで、（形状が）数ナノメートル以内の精度を持つことが必要です。

CoherentがTMTの取り組みに参加

Thirty Meter Telescopeの主鏡は492分割され、それぞれの角から角までの長さは1.44 mです。 主鏡の全体的な形状は双曲線です。 これは、個々のセグメントがこの形状の軸外ピースであることを意味します（また、TMTのすべての鏡セグメントには合計82種類の形状が存在します）。 この種の形状を「自由造形」と呼びます。

TMTに必要な精度で直径1 mを超える自由造形を行えるのは、全世界でほんの一握りの組織しかありません。一定量を製造できる組織ならさらに少数です。 これらの光学系を製造するために、Thirty Meter Telescope国際天文台（TIO）は米国、日本、中国、インドの4つのグループを選びました。

米国では、Coherent（旧ティンスレー研究所）がサプライヤーとして選ばれました。 当社は、他のどのグループよりも多い、合計230個の鏡セグメントを製作する予定です。 Coherentは、インドで活動しているグループのために、鏡面研磨装置、治具、試験装置も製作しました。 インドのエンジニアは、Coherentでこれらすべての使い方のトレーニングをすでに受けています。 さらに、Coherentの担当者が装置に同行してインドを訪問し、設置や試運転を支援する予定です。

製造の課題

メートルクラスの高精度な自由造形を研磨する方法は、大きく分けて2つあります。 単純な球面から大きく外れた形状には、いわゆる「サブアパーチャ」と呼ばれる研磨が使用されます。 ここでは、光学系よりもはるかに小さな研磨ツールを使って、1つの領域のみを加工し、それを繰り返してアパーチャ全体をカバーします。

球形に近い形状の場合は、1960年代から非球面光学系の製造に実用化されている技術である、「応力鏡面研磨」という巧みな方法が使用されます。この技術は地上望遠鏡のような大きな面にも活用できます。TIOの広報担当者はこれを認め、次のように述べています。「この研磨方法は、ケック天文台の2台の望遠鏡から受け継いだものです。 TMTは、この技術を使って鏡面の形状を改善し、研磨方法を効率的に保つことを誇りとしています」 この場合、光学系は表面を意図的に歪ませて機械的に固定されます。 その後、一般的な球体研磨の方法で研磨されます。 ここでは、部品のアパーチャの85％をカバーする研磨ツールが使用されます。 研磨後、クランプが解放され、部品は「緩んで」最終の、必要な自由造形の形状に戻ります。

応力鏡面研磨は、一般的に大型の光学系の、より高速で、より確定論的な方法です。 サブアパーチャ研磨は、一度に加工する面積が小さいためより高速です。そのため、全面をカバーするには通常、より多くの加工サイクルが必要です。 また、サブアパーチャ研磨では、表面に小さい波紋、つまり表面残留物が必然的に発生します。 高性能な光学系を得るには、これらを除去する必要があり、さらに時間のかかる工程が必要な場合があります。 応力鏡面研磨は、本質的にほぼ完璧な平面や球体の形状を作り出す技術に基づいているため、一般に、より確定的です。

もちろん、応力鏡面研磨では、基板を歪ませるために正確な力を加える精密なツールが必要です。 Coherentは32種類の独特な鏡形状を製作しているため、この設備は多大な製造時間を占めていた可能性がありました。 これを避けるため、Coherentは、TMTのセグメントのさまざまな形状をすべて研磨するために必要な力パターンをプログラムできる単一のツールを開発しました。

Coherentとのパートナーシップ

「Coherentは、大型光学系の製造に定評のある会社であり、当初から可能性のあるサプライヤーとして考えていました」と、TIOのリード・オプティカル・ファブリケーション・エンジニアであるグレン・コール氏は述べています。 「彼らはハッブル宇宙望遠鏡の複数のプロジェクトを問題なく完了しており、欠点のある主鏡を補正したCOSTAR光学系は有名です。 最近では、ジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡の1.4 mのベリリウム製主鏡の全18面を製造しました。

「しかし、私たちは技術移転のパートナーも必要でした。 つまり、インドのグループを立ち上げることができる組織が必要でした。 この取り組みをサポートできるCoherentの能力が、彼らを選択した大きな決め手となりました。 また、これまでの成功は、私たちが良い選択をしたことを示しています」。

「Coherentと最初に契約した2017年に予想できなかったのは、世界的なCOVID-19のパンデミックでした」とコール氏は付け加えています。 「これにより、私たちのすべての取り組みが遅れて、プロジェクトのスケジュールが大幅に遅れ始めました。 しかし、Coherentはこのプロジェクトに多大なエンジニアリングリソースを投入し、TMTセグメントの大量生産に対応するために大きな施設を特別に建設しました。 これにより、私たち全員がロックダウンから立ち上がって、その勢いを維持することができました。 さらに、問題解決や製造上の問題が発生した場合の対応にも、素晴らしい能力を発揮しました。 これは、大型の精密オプティクスの製造における彼らのすべての経験からのメリットです」。

最初の数枚の鏡セグメント（丸い形をしていることから「ラウンデル」と呼ばれる）の研磨に成功したことで、TIOは2020年に再度契約を締結しました。これは、私たちが生産するすべてのラウンデルを最終的な六角形に切断するためのものです（ヘキシングと呼ばれる加工方法）。

TMTは、多くの刺激的な課題が待ち受ける大きなプロジェクトです。 ジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡の素晴らしい画像に基づいて、JWSTの20倍以上の集光面積を持つTMTは、全く驚くべき科学画像を提供すると期待されています。 

Thirty Meter Telescope（TMT）の詳細。

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