ジェイムズ・ウェッブはいかにして天文学を変えたか：英語学習ノート

This is MIRI, the mid-infrared camera onboard the James Webb telescope. 文化背景

これはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に搭載されている中間赤外線カメラ、MIRIです。

Watch what happens when light enters the camera.

光がカメラに入るとどうなるか見てみましょう。

A complex series of mirrors and filters direct and split the light up into different wavelengths,

複雑な一連の鏡とフィルターが光を誘導し、異なる波長に分割します。

which are then resized and directed onto the sensors.

それらはサイズ調整され、センサーへと導かれます。

With this camera,

このカメラがあれば、

Webb can see extremely distant stars and galaxies

ウェッブは非常に遠くの星や銀河を見ることができます。

that are completely invisible to the human eye.

これらは人間の目には全く見えないものです。

This is only possible by cooling the camera down to just 6° above absolute zero. 文化背景

これはカメラを絶対零度からわずか6度高い温度まで冷却することでのみ可能になります。

But why does it need to be so cold?

しかし、なぜそこまで冷やす必要があるのでしょうか？

In this video,

この動画では、

we're going to look at how Webb captures infrared light 文化背景

ウェッブがどのように赤外線を捉えるのか、

and how a simple sound like this

そしてこのような単純な音が、

is used to cool its camera all the way down to a mind-boggling temperature. 解説

カメラを信じられないほどの極低温に冷却するためにどう使われているのかを見ていきます。

We'll also be giving away this LEGO ISS model,

また、こちらのレゴISSモデルのプレゼント企画も行いますので、

so stick around to the end of the video 句動詞

ぜひ動画を最後までご覧いただき、

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All of the cameras onboard James Webb detect infrared light,

ジェイムズ・ウェッブに搭載されているすべてのカメラは赤外線を検出しますが、

which is invisible to the human eye.

それは人間の目には見えません。

As light travels through space,

光が宇宙空間を移動するにつれて、

its wavelength is constantly being stretched.

その波長は常に引き伸ばされています。

If something is far enough away, 文法

物体が十分に遠くにある場合、

the light will be stretched so much that it is no longer visible by the time it reaches us. 文法

光は非常に長く引き伸ばされ、私たちに届く頃には目に見えなくなってしまいます。

This means there is a physical limit on how far we can see into space.

つまり、私たちが宇宙をどこまで見ることができるかには物理的な限界があるのです。

Since MIRI's sensors are made from arsenic and silicon,

MIRIのセンサーはヒ素とシリコンで作られているため、

it can detect this super stretched infrared light and see beyond that limit.

このように極度に引き伸ばされた赤外線を検出し、限界を超えて見ることができます。

These sensors work like regular camera sensors

これらのセンサーは一般的なカメラのセンサーと同じように、

by converting photons of light into an electrical signal.

光の光子を電気信号に変換することで機能します。

But in order to detect the faint signals of infrared light,

しかし、微弱な赤外線の信号を検出するためには、

the sensors on MIRI have to be extremely sensitive.

MIRIのセンサーは非常に感度が高くなければなりません。

Increasing the sensitivity, however, introduces a lot of noise. 語彙

ところが、感度を上げると多くのノイズが発生してしまいます。

Whenever we point a camera at something,

私たちがカメラを何かに向けるたび、

its sensor isn't just detecting what we want it to see.

センサーは私たちがただ見たいものだけを検出しているわけではありません。

There is so much more light bouncing around us that our eyes simply can't detect.

私たちの周りには、目には見えない光が非常に多く反射しています。

This can trick the pixels in the sensor into registering random levels of light, 文法

これがセンサーのピクセルを騙し、ランダムなレベルの光を記録させてしまい、

creating a layer of noise in the image.

画像にノイズの層を作り出します。

If the thing you are looking at has a bright enough signal,

もし見ている対象の信号が十分に明るければ、

it will stand out much more compared to the noise. 句動詞

ノイズに比べて際立って見えます。

However, if the thing you are trying to image is faint,

しかし、もし撮ろうとしている対象が暗ければ、

like the infrared light from a galaxy,

銀河からの赤外線のように、

you'll need to increase the sensitivity of the sensor,

センサーの感度を上げる必要があり、

which in turn will drastically increase the noise. 話の流れ

その結果としてノイズが劇的に増加してしまいます。

Since Webb is detecting infrared light,

ウェッブは赤外線を検出しているため、

the problem gets even worse.

問題はさらに深刻になります。

Every object in our universe emits heat energy,

宇宙のすべての物体は熱エネルギーを放出しており、

some of which is in the form of light.

その一部は光の形をとっています。

Most objects aren't quite hot enough to emit visible light,

ほとんどの物体は可視光を放出するほど熱くありませんが、

but they do emit a lot of infrared light.

大量の赤外線は放出しています。

The hotter the object, 文法

物体が熱ければ熱いほど、

the more infrared light it will emit,

より多くの赤外線を放出し、

which is essentially how thermal imaging cameras work.

これは基本的にサーモグラフィカメラの仕組みと同じです。

Because of this, James Webb itself would emit so much infrared light

このため、ジェイムズ・ウェッブ自体も大量の赤外線を放出してしまい、

that its sensors would be completely drowned out. 句動詞

センサーが完全に覆い隠されてしまうのです。

And so, in order to limit the amount of infrared light produced by the telescope,

そこで、望遠鏡自身が生成する赤外線の量を制限するために、

its cameras need to be kept at a temperature of -234°.

カメラを-234℃の温度に保つ必要があります。

That is extremely cool,

それは非常にクール（かっこいい・冷たい）なことです。

just like Wondrium, the sponsor of today's video.

今日の動画のスポンサーであるWondriumのように。

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Wondriumは様々な科目を探索できる学習プラットフォームで、

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太陽系外の新しい惑星を発見するために使われる、

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技術や手法のすべてを教えてくれます。

just like those used on the James Webb telescope.

まさにジェイムズ・ウェッブ望遠鏡で使われているような技術です。

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In order for MIRI to operate at -267°, 文法

MIRIが-267℃で動作するように、

it's located behind the massive five-layer sunshield.

それは巨大な5層構造のサンシールドの裏側に配置されています。

This alone reflects so much heat

これだけでも多くの熱を反射し、

and cools Webb's cameras down to around -234°.

ウェッブのカメラを約-234℃まで冷却します。

But, since MIRI is much more sensitive than the other cameras,

しかし、MIRIは他のカメラよりもはるかに感度が高いため、

it faces an even bigger problem, dark current. 文化背景

暗電流というさらに大きな問題に直面します。

This is where the atoms inside the sensor itself vibrate and mistakenly register a photon of light, 話の流れ

これはセンサー内の原子自体が振動し、誤って光子を記録してしまう現象で、

creating more noise.

さらなるノイズを生み出します。

Since temperature is just a measure of how fast an atom vibrates, フレーズ

温度は原子の振動の速さを表す尺度に過ぎないため、

lowering the temperature will lower the vibration and therefore reduce the amount of dark current.

温度を下げれば振動が減少し、結果として暗電流の量を減らすことができます。

Even at -234°,

たとえ-234℃であっても、

the vibration of these atoms would be too much for MIRI's sensor.

これらの原子の振動はMIRIのセンサーにとっては大きすぎます。

And so, they have to be cooled all the way down to -267°,

そのため、-267℃まで冷却しなければなりません。

just 6° above absolute zero.

絶対零度からわずか6度高いだけの温度です。

At this temperature,

この温度では、

the atoms in the sensor are almost completely still,

センサー内の原子はほぼ完全に静止し、

drastically reducing the noise and allowing the faint infrared signals to shine through.

ノイズを劇的に減らして、微弱な赤外線信号を際立たせることができます。

But how did NASA take these sensors all the way down to -267°?

しかし、NASAはどのようにしてこれらのセンサーを-267℃まで冷却したのでしょうか？

The cooling process all starts here,

冷却プロセスはすべてここから始まります。

at the bottom of the telescope,

望遠鏡の底部にある、

with a device called a pulse tube. 文化背景

パルス管と呼ばれる装置です。

Inside these tubes are two pistons,

これらの管の中には2つのピストンがあり、

which move back and forth to compress the helium into the pulse tube. フレーズ

それらが前後に動くことでパルス管内にヘリウムを圧縮します。

Since this movement would create a lot of unwanted vibration,

この動きは多くの不要な振動を引き起こすため、

these pistons have to move in the exact opposite direction

これらのピストンは互いの動きを打ち消し合うように、

with precision timing to cancel out each other's movement. 句動詞

正確なタイミングで完全に逆方向に動く必要があります。

These pistons move very quickly,

これらのピストンは非常に速く動き、

just like a speaker,

まるでスピーカーのように、

to create a low-frequency sound wave with a frequency of 30 Hz.

30 Hzの低周波の音波を作り出します。

This sound wave travels down the tube

この音波は管を下っていき、

and gets compressed once it reaches the end,

末端に達すると圧縮され、

creating an area of higher pressure.

高圧の領域を作り出します。

Then, as it bounces back in the opposite direction,

その後、反対方向に跳ね返る際に、

it expands, creating an area of low pressure

膨張して低圧の領域を作り出し、

before being compressed once again.

再び圧縮されます。

If the next wave is sent out exactly as the previous one returns, 文法

もし前の波が戻ってくるのと全く同時に次の波が送り出されれば、

it means the frequency perfectly matches that of the tube. 文法

それは波の周波数が管の周波数と完全に一致していることを意味します。

This creates a standing wave 文化背景

これにより定常波が生まれ、

where the areas of high and low pressure remain in the same place.

高圧と低圧の領域が同じ場所に留まることになります。

By tripling the frequency,

周波数を3倍にすることで、

it causes the waves to combine and create a stationary wave

波が組み合わさって定常波を作り出し、

with multiple areas of high and low pressure.

複数の高圧と低圧の領域を持つようになります。

Since temperature and pressure are related,

温度と圧力は関係しているため、

this also leads to areas of high and low temperature.

これは高温と低温の領域も作り出します。

This alone wouldn't change the overall temperature

これだけでは全体の温度を変えることはありません。

because the hot and cold parts simply cancel each other out.

なぜなら、熱い部分と冷たい部分が単に互いを打ち消し合うだけだからです。

But, if there was a way to extract the hot parts, 文法

しかし、もし熱い部分を抽出する方法があれば、

then the temperature would start to drop.

温度は下がり始めるでしょう。

And so, three heat exchangers

そこで、3つの熱交換器が、

made of thin metal sheets フレーズ

薄い金属板で作られており、

are placed at the points where the hot and cold gas meet.

高温と低温のガスが出会うポイントに配置されています。

These allow the gas to pass through whilst also absorbing some of its temperature, 語彙

これらはガスを通過させると同時に、その温度の一部を吸収し、

causing a heat gradient to form. 文法

温度勾配を形成させます。

The heat from the hot side is pulled out

高温側の熱は引き出され、

and sent to the radiators via a heat exchanger.

熱交換器を経由してラジエーターに送られます。

Then, the cold temperatures on the other side are also drawn out. 句動詞

その後、反対側の低温も同様に引き出されます。

This causes the temperature to drop from 27° all the way down to -256°

これにより、温度は27℃から-256℃まで下がります。

at the final heat exchanger.

最後の熱交換器の時点で。

But how is this used to cool the sensors located at the opposite end of the telescope?

しかし、これが望遠鏡の反対側にあるセンサーを冷却するためにどう使われるのでしょうか？

Next to the pulse tube is another set of pistons

パルス管の隣にはもう1組のピストンがあり、

that compress helium in a completely separate line of tubing.

完全に独立した配管の中でヘリウムを圧縮しています。

This line passes through the cold parts of the pulse tube's heat exchangers,

この管はパルス管の熱交換器の冷たい部分を通過し、

cooling the helium all the way down to around -256°.

ヘリウムを約-256℃まで冷却します。

But still the helium isn't quite cold enough. 文法

しかし、それでもヘリウムはまだ十分に冷たくありません。

From there, the helium goes on a long journey,

そこからヘリウムは長い旅に出て、

winding its way up through 10 m of thin tubing until it reaches the cold head assembly. 慣用句

10mの細い管を通って曲がりくねりながら進み、コールドヘッドアセンブリに到達します。

Inside, there is another heat exchanger and a tiny hole less than 1 mm in diameter. フレーズ

その中には別の熱交換器と、直径1mm未満の小さな穴があります。

The helium is pushed through the hole

ヘリウムはその穴を押し出され、

and undergoes something called the Joule-Thomson effect. 文化背景

ジュール＝トムソン効果と呼ばれる現象を起こします。

As the gas moves through the hole,

ガスが穴を通り抜ける際、

it gets compressed before quickly expanding on the other side. 文法

圧縮された後、反対側で急速に膨張します。

This rapid expansion causes the pressure to drop, 文法

この急速な膨張により圧力が下がり、

cooling the gas very quickly.

ガスが非常に素早く冷却されます。

This is why blowing air through our mouth is colder

これは、唇をすぼめて小さな穴を作った方が、

if we make a smaller hole with our lips.

口から吹く息が冷たくなるのと同じ理由です。

On James Webb,

ジェイムズ・ウェッブにおいて、

this cools the helium all the way down to just -267°.

これによりヘリウムはわずか-267℃まで冷却されます。

From here, the helium flows on to copper plates attached to the back of MIRI's sensors,

ここからヘリウムは、MIRIのセンサーの裏側に取り付けられた銅板へと流れ込み、

cooling them down to the required temperature.

それらを必要な温度まで冷却します。

After that, the helium has done its job 慣用句

その後、ヘリウムはその仕事を終え、

and it flows back down the telescope where the entire process begins again.

望遠鏡の下へと戻って再びプロセス全体が始まります。

When NASA began designing James Webb,

NASAがジェイムズ・ウェッブの設計を始めたとき、

no cryocooler with this level of cooling existed.

このレベルの冷却能力を持つ極低温冷却器は存在しませんでした。

And so, engineers had to really push the boundaries of physics, 慣用句

そのため、エンジニアたちは物理学の限界を本当に押し広げる必要がありました。

all while conforming to the limits of fitting it into a space telescope. 文法

宇宙望遠鏡に収めるという制限に従いながら。

And now,

さて、

time for something really special.

本当に特別な時間です。

The winner of the previous giveaway is Daniel Weinman.

前回のプレゼント企画の当選者はDaniel Weinmanさんです。

Congratulations.

おめでとうございます。

But, as always,

しかし、いつものように、

we'll be giving away another awesome space prize in the next video.

次回の動画でも素晴らしい宇宙の賞品をプレゼントします。

To win this amazing LEGO space station model,

この素晴らしいレゴ宇宙ステーションモデルを当てるには、

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以下のリンクから登録し、

and leave a comment saying how long you think James Webb will operate for. 文法

ジェイムズ・ウェッブがどれくらいの期間稼働すると思うか、コメントを残してください。

Thank you very much for watching

ご視聴ありがとうございました。

and I'll see you in the next video.

次の動画でお会いしましょう。