ハッブル宇宙望遠鏡の大きな鏡は、今も間違った形のまま使われている

1990年4月24日、ハッブル宇宙望遠鏡が、スペースシャトルのディスカバリー号で打ち上げられました。地上の望遠鏡では、地球の空気の揺らぎで星の像がぼやけます。そのぼやけのない写真を、宇宙から撮るためです。

ところが、届いた写真はぼやけていました。打ち上げから2か月後の1990年6月、NASAは、望遠鏡に欠陥があると発表しました。原因は、光を集める大きな鏡の形でした。鏡のふちが、少しだけ平らすぎたのです。

NASAによると、ふちが平らすぎた分は、深さにすると2.2マイクロメートル（1マイクロメートルは1000分の1ミリ）です。髪の毛の太さの約50分の1にあたります。この鏡は今も直されていません。ハッブル宇宙望遠鏡は、その鏡のまま、30年以上も宇宙を見続けています。

この記事では、まず鏡の形がどう間違っていたのかを説明します。次に、NASAの調査委員会が報告した、間違いが起きた原因を紹介します。最後に、鏡を直さずに、どうやってぼやけを消したのかを見ていきます。

01ハッブル宇宙望遠鏡の鏡は、ふちが髪の太さの約50分の1だけ平らすぎた

ハッブル宇宙望遠鏡は、レンズではなく鏡で光を集める望遠鏡です。いちばん大きな鏡（主鏡）は、直径2.4メートル、重さ828キログラムあります。

主鏡は、ゆるやかにへこんだおわんのような形をしています。鏡のどの部分に当たった光も、1つの点に集まるように、形が詳しく決められていました。

しかし、できあがった主鏡は、外側のふちが決められた形より平らでした。そのため、ふちに当たった光は、真ん中に当たった光とは違う所に集まってしまいました。光が1つの点に集まらないので、星の写真がにじんでぼやけたのです。このぼやけ方を、球面収差（きゅうめんしゅうさ）といいます。

NASAが1990年7月2日に作った調査委員会は、同じ年の11月に報告書を出しました。報告書によると、鏡の形の誤差は、許される誤差（設計で決めた上限）の10倍もありました。

鏡そのものは、とても正確に磨かれていました。 報告書によると、主鏡は、検査の道具が示す「お手本の形」にぴったり合うように磨かれていました。その合い方は、注文で決めた正確さよりも上でした。間違っていたのは、お手本の形を示す検査の道具のほうだったのです。

02鏡の形を確かめる道具の中で、レンズが1.3ミリずれていた

望遠鏡の鏡を磨く工場では、鏡に光を当てて、はね返った光の様子から形を確かめます。そして、形がずれている所を少しずつ磨いて直します。これを何度も繰り返して、鏡を決められた形に近づけます。

ハッブル宇宙望遠鏡の主鏡は、アメリカのパーキン・エルマー社が磨きました。報告書によると、磨き始めは1978年12月で、磨き終わったのは1981年4月です。

形を確かめるのに使ったのは、「ヌル・コレクター」という検査の道具です。この道具は、小さな鏡2枚とレンズ1枚でできています。主鏡が正しい形なら、この道具を通して見たときに、はね返った光がまっすぐなしま模様に見えるように作られていました。

調査委員会が工場を調べると、この道具は、9年前に主鏡を検査したときのまま、試験室に残っていました。委員会は道具を動かさずに、中の部品どうしの距離を測りました。すると、レンズが、道具の中の下側の小さな鏡から約1.3ミリ離れすぎていました。

報告書によると、部品どうしの距離は、0.01ミリ（10マイクロメートル）の正確さで合わせる必要がありました。実際のずれは、その130倍です。委員会は、レンズが1.3ミリずれた道具で主鏡を磨いたら、どんな形になるかを計算しました。すると、宇宙で撮った写真のぼやけの量と形が、細かいところまで説明できました。

03レンズのずれは、長さを測る棒のふたの塗料がはがれていたせいらしい

では、なぜレンズは1.3ミリもずれたのでしょうか。調査委員会は、当時の記録を探しましたが、何が起きたかを示す記録は見つかりませんでした。そこで委員会は、いちばんありそうな筋書きを考え、実験室で再現しました。

レンズの位置は、長さが正確に決められた金属の棒（メータリング・ロッド）を使って決めていました。棒の先に光を当て、はね返った光を見て、棒の先の位置を正確に読み取るしくみです。光が棒の先の真ん中に当たるように、棒の先には小さな穴のあいたふた（キャップ）がかぶせてありました。

ふたの表面は、光をはね返さない塗料で覆われていました。ところが、穴のまわりの小さな部分で、その塗料がはがれていたのです。報告書によると、作業をした人は、棒の先からの光を見ていなかったらしいのです。見ていたのは、塗料のはがれたふたの表面からはね返った光でした。その結果、レンズの位置が1.3ミリずれたと考えられています。

報告書には、1990年に同じ道具で試したところ、この間違いは「とても起こしやすく、起こりそうでさえあった」と書かれています。

レンズを棒の先まで動かそうとしたとき、位置を調節するねじは、もう動く余地がありませんでした。そこで、レンズの下にスペーサー（すき間を作るための詰め物）が入れられ、位置が合わせられました。このスペーサーを入れたことを書いた書類は、提出されなかったか、なくなっていました。

04間違いを示すデータは、打ち上げの前からあった

報告書によると、主鏡の形がおかしいことを示すデータは、鏡を作っていたころにすでにありました。

1つめは、レンズだけでできた別の検査の道具で、主鏡を測ったデータです。このデータにも、宇宙で見つかったのと同じ種類の形のずれ（球面収差）が表れていました。2つめは、「完ぺきな鏡」のふりをする別の道具を、検査の道具の下に置いて測ったデータです。この道具は、装置の位置合わせを確かめるために作られました。このデータも、検査の道具の誤りをはっきり示していました。調査委員会は、当時の社員のノートから、このときの記録も見つけています。

ところが、どちらのデータも重く見られませんでした。当時は「確かめに使った道具のほうがおかしいのだろう」と考えられたのです。報告書は、工場がこの1つの検査の道具だけに頼りきっていたことを、大きな問題だとしています。

報告書によると、望遠鏡を組み立てたあとで全体の見え方を正確に確かめる試験は、行われませんでした。その試験には、望遠鏡の光学部分そのものと同じくらいのお金がかかると考えられていたからです。

05宇宙飛行士は鏡を直さず、望遠鏡に「めがね」をかけた

宇宙にある直径2.4メートルの鏡を、磨き直すことはできません。そこでNASAの技術者たちは、人のめがねと同じ考え方を使いました。目のレンズの曲がり方がずれていると、ものがぼやけて見えます。めがねのレンズは、目のずれとちょうど反対向きのずれを持っていて、目のずれを打ち消します。

そのころ、新しいカメラ「広視野惑星カメラ2」が組み立てられていました。開発チームは、カメラの中の光の通り道に、主鏡のずれを打ち消す部品を組み込みました。ほかの観測装置のためには、NASAとボール・エアロスペース社の技術者たちが、「コスター」という装置を作りました。コスターは、打ち消し用の小さな鏡を5組、伸びる腕の先につけた装置です。小さな鏡の中には、アメリカの5セント硬貨ほどの大きさのものもありました。

1993年12月2日、スペースシャトルのエンデバー号が打ち上げられました。宇宙飛行士たちは、5回続けて船外活動（宇宙服を着て船の外で作業すること）を行い、合わせて35時間28分働きました。そして、新しいカメラとコスターを取りつけました。修理のあと、ハッブル宇宙望遠鏡は、予定していたくっきりした写真を撮れるようになりました。

その後に取りつけられた観測装置は、すべて、主鏡のずれを打ち消す部品を中に持っています。そのため、コスターはやがていらなくなりました。2009年5月の修理で、宇宙飛行士は新しい観測装置を入れる場所を空けるために、コスターを取り外しました。コスターは地球に持ち帰られ、今はスミソニアン国立航空宇宙博物館にあります。主鏡は、今も1990年に打ち上げたときの形のままです。

06まとめ

ハッブル宇宙望遠鏡の主鏡は、ふちが髪の毛の太さの約50分の1だけ平らすぎる形に磨かれていました。原因は、鏡の形を確かめる道具の中で、レンズが約1.3ミリずれていたことです。調査委員会は、長さを測る棒のふたの塗料のはがれが、そのずれを生んだと考えています。

NASAは、鏡を直すかわりに、カメラなどの装置の中に、ずれを打ち消す部品を入れました。ハッブル宇宙望遠鏡が送ってくるくっきりした宇宙の写真は、今も、間違った形の鏡と「めがね」の組み合わせで撮られています。