Enhancing the performance and capabilities of the MIRI instrument on JWST

宇宙を、秘密が詰まった巨大で埃っぽい屋根裏部屋だと想像してみてください。ほとんどの望遠鏡は、部屋の中央にある明るく目立つ家具だけを見ることができる懐中電灯のようなものです。しかし、最も興味深いものの一部——例えば、誕生しつつある赤ちゃん星の温かな輝きや、遠くの惑星の周りにある塵のリングなど——は、「中間赤外線」と呼ばれる特別な光の中に隠れて輝いています。この光は熱のサインのようなもので、私たちの目には見えず、地球の大気によって遮られてしまうため、地上からは見ることができません。これらの熱のサインを捉えるには、宇宙の極低温で動作できる、非常に高感度な宇宙設置型のカメラが必要です。そこで、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が登場します。そして、特にその「中間赤外線観測装置（MIRI）」が重要な役割を果たします。MIRIを、望遠鏡全体の中で唯一の、5マイクロメートル（光の波長の一単位）を超える領域を見通すことができるナイトビジョンゴーグルのようなものだと考えてください。これは、この特定の、非常に困難な宇宙の屋根裏部屋を覗き見るための、私たちに備わった唯一の道具なのです。

優れた道具であっても、調整（チューンアップ）が必要なことがあります。ミッション開始からわずか4年、MIRIの開発チームは、このカメラが素晴らしい写真をとっている一方で、時折、自分の靴紐に躓いている（ミスをしている）ことに気づきました。この論文は、本質的には、どのようにしてその靴紐を締め直しているのかを記した「整備士の報告書」です。著者たちはこの文書で新しい星を発見しているのではなく、装置をより速く、より静かに、そして間違いを犯しにくくするための、一連のソフトウェア・アップデートとハードウェアの微調整について説明しています。彼らは、データに悪影響を与える「ブーン」というノイズを修正し、スペースを節約し静電気を減らすための新しいセンサー読み取り方法を考案し、望遠鏡がターゲットを見失わないためのセーフティネットを作成しています。目的はシンプルです。MIRIが宇宙を見つめる時、ノイズやバズ音、あるいは不手際による曇りのない、クリアな姿を見られるようにすることです。

ブーンというノイズと「インフェーズ（同位相）」による解決策

ラジオで静かな曲を聴こうとしているのに、針が特定のビートに当たるたびに、大きなリズムを刻むブーンという音が干渉してくる場面を想像してみてください。それがMIRIのカメラで起きていたことです。この装置は、390 Hzの周波数で特定の電磁干渉（EMI）ノイズを拾っていました。このノイズは、画像の特定の場所にだけ現れる幽霊のようなもので、望遠鏡が単一の天体を数時間監視して変化を見る「タイムシリーズ観測（TSO）」において、特に厄介な存在でした。ノイズのパターンが移動するため、データの中に揺らめくような、気を散らすアーティファクト（偽像）として現れたのです。

エンジニアたちは、このノイズがカメラのピクセル読み取りのタイミングと同期していないことに気づきました。それは、少しリズムがずれているドラマーに合わせて手拍子をしようとしているような状態でした。これを解決するために、彼らは単に後からノブイズを除去しようとしたのではなく、「サブアレイ」（特定のタスクのために使用されるカメラセンサーのより小さく高速なセクション）を再設計しました。彼らは、これらを「IP（In-Phase：同位相）」とラベル付けされた新しいバージョンとして作成しました。読み取りエリアの形状とサイズをわずかに変更することで、ピクセルの読み取りタイミングをノイズと完全に同期させました。これにより、ノイズと戦うのではなく、ノいーズが干渉しないタイミングでデータを読み取ることができるようになったのです。例えば、古いSUB128サブアレイは、タイミングを完璧に保つために、わずかに幅を広くした（128列ではなく132列の）新しいSUB128 IPに置き換えられます。この変更は非常に精密であり、観測者は、観測時間にほとんど差を感じることなく、旧バージョンと新バージョンを切り替えることができます。

「低速」から「スマートな平均化」への切り替え

この論文はまた、カメラのデータ読み取り方法に関する問題にも取り組んでいます。MIRIのセンサーの標準的な読み取り方法は「FASTR1」と呼ばれ、各ピクセルの写真を一度だけパシャリと撮るものです。非常に暗い天体を観測する場合、チームは以前「SLOWR1」というモードを試していました。これは、同じピクセルの写真を8枚撮影してそれらを平均化することで、「静電気（読み取りノビノビ）」を打ち消し、画像をクリアにするという仕組みでした。8枚の写真を平均化することで、理論上は平方根8の倍数の分だけ画像が鮮明になると考えられていました。

しかし、チームはSLOWR1が期待通りに機能していないことを発見しました。ノイズ低減の効果が予測ほど高くなかっただけでなく、高速モード（FASTR1）と低速モード（SLOWR1）を切り替えると、装置の温度が不均一に変化するという問題が発生しました。この熱的な沈降（サーマル・セトリング）が、画像の中に奇妙な弧状のアーティファクトを生み出しました。まるで、ギアを変えた瞬間にエンジンがガクンと震え、スキッドマークを残す車のようでした。

解決策は、「FASTGRPAVG8」と呼ばれる巧妙な中間案でした。カメラの内部状態を変化させて複数の低速読み取りを行う代わりに、カメラは依然として各ピクセルの高速な写真を1枚撮ります（FASTR1と同様）。しかし、その後、コンピュータがこれら8枚の高速フレームを、読み取った直後、かつ保存される前に平均化します。これにより、熱的な衝撃や奇妙なアーティファクトを引き起こすことなく、低速モードと同じノイズ低減のメリットを享受できます。これは、スマートフォンのカメラで8枚の素早いスナップショットを撮り、スマートフォンのソフトウェアがそれらを瞬時に一つの完璧な低ノイズ画像へと合成するようなものです。チームは、Cycle 6からの科学観測において、このFASTGRPAVG8モードへの切り替えを進め、問題のあるSLOWR1モードを段階的に廃止する予定です。

「ディザリング」というセーフティネット

MIRIで写真を撮る際、最も重要な工程の一つが「ターゲット取得（TA）」です。望遠鏡が本格的な科学観測を開始する前に、ターゲットとなる星や銀河の正確な中心を見つけ出し、そこにロックオンしなければなりません。特定のモードでは、ターゲットを非常に狭いスリット（幅0.5秒角）内、あるいはマスク上の特定の場所に配置する必要があります。もし望遠鏡がこの場所を外してしまうと、観測全体が台無しになってしまいます。

チームは過去数百回の試行を分析し、ほとんどは成功しているものの、約12%が失敗していることを突き止めました。これらの失敗の多くは、明るさの設定ミスといったユーザーエラーによるものでしたが、カメラ上の予期せぬ「ローグ（不良）ピクセル」や、宇宙線（宇宙からの高エネルギー粒子）の突然の衝突によって引き起こされるものもありました。テーブルの上にコインのバランスを取ろうとしている場面を想像してください。コインを置こうとした瞬間に、小さな塵（不良ピクセル）が落ちたり、突然の突風（宇宙線）が吹いたりすると、コインは倒れてしまいます。

これを防ぐため、チームは「ディザリング」を用いたアプローチを導入しています。ターゲットを見つけるために、望遠鏡はたった1枚の写真を撮るのではなく、位置を少しずつずらしながら3枚の写真を撮ります。もし最初の写真で宇宙線がセンサーに当たったとしても、2枚目や3枚目の写真では同じ場所には当たりません。コンピュータがこれら3枚の画像を合成すると、ランダムなノイズや不良ピクセルは消え去り、ターゲットのクリアな姿が残ります。これは、動いている鳥の写真を3枚撮って重ね合わせるようなものです。鳥は中央に留まり、レンズ上のランダムな塵は相殺されます。この新しい手法は、2026年後半または2027年頃に導入される予定であり、望遠鏡のターゲット捕捉能力を大幅に向上させると期待されています。

宇宙を見るための新しい方法

最後に、この論文は、現在解禁されつつあるいくつかの新しい「モード」や、装置の新しい活用法についても強調しています。主要な追加要素の一つは、「広視野スリットレス分光（WFSS）」です。以前は、特定の細いスリットを通して見た場合にのみ、単一の天体の光を虹（スペクトル）のように広げることができました。しかし、WFSSを用いることで、望遠鏡は広い視野内にある「あらゆる天体」の光を一度に広げることができるようになります。これは、単焦点カメラを広角プリズムに変え、群衆全体の虹を同時に捉えるようなものです。このモードはCycle 5から利用可能になります。

さらに、チームは「タイムシリーズ観測」における狭いスリットの使用についてもテストを行っています。以前は、惑星が恒星の前を横切る（トランジット）様子を観察する際、望遠鏡がわずかにドリフトして、狭いスリットからターゲットを見失うことを懸念して、広いスリットレスモードのみを使用していました。しかし、新しいデータによれば、望遠鏡の安定性は極めて高く、24時間以上にわたって1ピクセルの0.4%以内に留まっています。この安定性により、背景ノイズをより多く遮断できる「狭いスリット」を使用し、トランジット中の惑星に関するさらに鮮明なデータを取得できるようになりました。また、データの読み取りを高速化するための新しい小さなサブアレイ（SUBSLITなど）も導入されており、これは惑星イベントの急速な変化を捉える上で極めて重要です。

要約すれば、この論文は「継続的な改善」を称えるものです。MIRIはすでに工学的な驚異ですが、ブーンというノイズを修正し、読み取りプロセスを滑らかにし、ターゲット取得のセーフティネットを設けることで、チームはJWSTが中間赤外線の宇宙を、これまで以上にクリアで信頼性の高い視界で提供し続けられるようにしています。これらは単なる些細な調整ではありません。これらは、JWSTが今後何年にもわたって、発見の最前線に立ち続けるための不可欠なアップグレードなのです。