はやぶさ2、史上初の人工クレーターを作れるか

4月5日(金)6時12分 JBpress

はやぶさ2から分離した衝突装置により、人工的なクレーターができた瞬間の想像図。(提供:池下章裕氏)

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 小惑星探査機はやぶさ2に、ミッション最大の山場がやってきた。4月5日11時36分(探査機時間、以下同じ)、小惑星リュウグウに純銅製の塊を衝突させ、人工的にクレーターを作るのだ。小惑星への衝突実験は史上初。「針の穴を通すような精密運用」が求められ、「目隠しをした状態でやぶさめで矢を放ち、的を射るようなもの」だという。

 決行の日は4月5日(今日!)。9時44分に最終判断が行われ「GO」となれば、10時56分、はやぶさ2はリュウグウの高度約500mで衝突装置(SCI:Small Carry-on Impactor)を分離する。SCI内蔵のタイマーにより40分後の11時36分に高度約200〜300mで点火、約2kgの純銅製のインパクター(衝突体)が秒速2kmの高速でリュウグウに衝突する予定だ。


“半端ない”爆発から全速力で退避せよ

 だが、その歴史的瞬間を、はやぶさ2は目視してはならない。もし見える場所にいれば、噴出物によって「探査機が死ぬ可能性がある」(はやぶさ2プロジェクトエンジニア佐伯孝尚氏)からだ。そこで、はやぶさ2はSCI分離後40分の間に、リュウグウの影に全速力で退避する。その道中、小型カメラ(DCAM3)を放出。インパクターがリュウグウに衝突し内部の物質が吹き上がる瞬間は、DCAM3が捉えるという、極めてアクロバティックな運用だ。

 似たような衝突実験では、2005年にNASAの探査機ディープインパクトが彗星にインパクターを衝突させ、通り過ぎながら観測したことがある。一方、はやぶさ2は衝突実験後にリュウグウ上空に戻り、クレーターを詳細観測する予定で、さらにクレーター内に着陸する可能性もある。初代「はやぶさ」はもちろん、世界のどこもやったことがない超高難度の実験だ。

 SCI開発担当でもある佐伯孝尚氏はSCIについて「非常に“厄介”なもの」とISASニュース2019年1月号で綴る。「SCIは衝突体を加速するために爆薬を使用していますが、その威力が“半端ない”」と。

 その“半端ない”爆薬を内蔵した衝突装置SCIは、円錐形で直径30cm、質量14kg(そのうち爆薬は5kg)。起爆すると、銅板がソフトボールのような球形に変形し高速で飛ぶ。最初の難関は、はやぶさ2から正確・精密にSCIを分離させること。探査機の位置、SCIを押し出す速度を「針の穴を通すような」精度で制御しなければならない。放出精度が悪いと、SCIが小惑星表面に落下してしまい威力が半減したり、小惑星に当たらない可能性がある。

 分離40分後にSCIは起爆するが、40分間にリュウグウは自転する。約7時間半の自転運動を見越し、赤道付近の半径約200mの目標地点(S01)に衝突させるため、SCIを分離する時間も精密に決められている。これらを例えたのが「目隠しをした状態でやぶさめの矢を放ち、的を射るようなもの」という表現だ。

 SCIという矢を放った探査機が、次に直面する難題が「逃げる」こと。爆薬を起爆すると、衝突体が飛び出すとともに、SCI全体が破壊され、多くの破片が四方八方に高スピードで飛び出す。破片から身を守るため、探査機は「小惑星の裏の“安全領域”に全速力で待避する必要」がある(ISASニュース2019年1月号より)。宇宙空間には隠れる場所はないため、小惑星リュウグウそのものの影に逃げるしかない。

 リュウグウから約3.5km離れた場所に探査機は退避するが、目印もなく探査機は自分がどこを飛んでいるか分からない状態。例えば「この方向に1km」と決められたルートを逃げる。「人間でいうと、目隠しをしてJAXA東京事務所(千代田区神田駿河台)から(約4km離れた)浅草寺の境内にお参りするようなもの」(佐伯氏)。これら複雑な動きや装置類の分離も含めて、地上からの指示でなく探査機自身が自動で動くよう、プログラムされている。「本番で自動シーケンスが想定通りに行くかどうかが、一番難しいところ」と久保田孝JAXA研究総主幹は説明する。


分離カメラDCAM3は衝突の瞬間を捉えられるか

 衝突の瞬間に、リュウグウで何が起こるのか? 「本物の小惑星で衝突実験ができる。科学者からすると垂涎の的」と、衝突装置・サイエンス担当で千葉工業大学惑星探査研究センター主席研究員の和田浩二氏は顔をほころばせる。

「太陽系の天体は、ダスト(塵)から惑星まで衝突・合体を繰り返して進化してきた。衝突現象を理解するのは惑星科学にとって重要な要素です」(和田氏)。太陽系が形成された約45憶年前、理論的には1mm以下から数kmサイズの微惑星が衝突・合体を繰り返し成長・進化したとされている。しかし未だ研究段階であり、完全に説明に成功できたものはいない。今回の衝突実験は世界で初めての実験であり、実証的に迫れる可能性があるという。

 つまり、これは太陽系がどう作られたかに迫る、宇宙を舞台にした壮大な衝突実験なのだ。ポイントは2つ。衝突の瞬間、どんな放出物(イジェクター)がどの程度出てくるか。これはリュウグウの地下の状態を反映する。そして、どのようなクレーターがリュウグウにできるか、あるいはできないか。どんな速度や大きさの物体が衝突すればどんなクレーターができるかという、衝突物理モデルの構築につながる。

 衝突の瞬間を捉えることが期待されるのが、円筒形の分離カメラ(DCAM3)だ。はやぶさ2がSCI分離後に逃げる途中、小惑星から約1km離れた地点で分離する。DCAM3には2種類のカメラが搭載されている。1つはリアルタイムで映像を送る低分解能のアナログカメラ、もう1つは高分解能画像を撮影するデジタルカメラで、主に理学観測に使われ衝突の詳細な現象を撮影する。カメラはバッテリーで約3時間働く予定だ。

 分離カメラはリュウグウの横方向から衝突現象を撮像する。アナログカメラの画像はリアルタイムで探査機に送られるが、その画像はいったん探査機に保存される。探査機の安全のための作業が最優先されるためだ。さらに、分離カメラが置かれる場所は、リュウグウから約1kmしか離れておらず、非常に危険な領域だ。リュウグウからの噴出物が当たり「探査機本体の替わりに(カメラが)死ぬ可能性もある」(佐伯氏)。高画質の画像が撮れたら、ラッキーと思ったほうがいいかもしれない。


どんなクレーターができる? 岩に当たるか砂に当たるか?

 史上初の小惑星人工クレーター実験。いったいどんな噴出物が巻き上がり、どんなクレーターができるのか、興味は尽きない。どんなクレーターができるかについては、衝突体が砂に当たるか岩に当たるか、また表面にある岩や粒子などの強度やサイズ、空隙率などによっても異なってくるそうだ。

 具体的には、砂の層に当たれば放出物(イジェクター)は最大、クレーターも最大になり、10mほどのクレーターができると期待される。一方、岩盤に衝突すれば放出物も少なく高速で飛んでいってしまい、クレーターが小さくなる可能性がある。和田氏によると、2月のはやぶさ2タッチダウンは、岩盤に当たって破片が舞い散ったのではないかと推定される。

 SCIでも「ボルダー(岩塊)に当たる可能性が高いと思っている。タッチダウンであれだけ大量の噴出物が出たので、(SCIでボルダーに当たったとしても)相当の穴が空いてくれるのではないか。半分願望だがやってみないと分からない」と和田氏は期待する。

 3月に米国で開催された月・惑星国際科学会議では、現在、小惑星ベンヌを探査中のNASAチームと活発な議論が行われ、はやぶさ2の衝突実験によって、リュウグウからどのくらいの量の噴出物が出るかに注目が集まったそうだ。「リュウグウ表面が柔らかければインパクターがずぽっと入っておしまい、とも考えられなくはなく、推定は難しいが、予想としてはたくさん出そう。クレーターができれば科学的に面白い。地下物質が出てくるため、科学観測で表面物質との違いが分かるだろう」(吉川真ミッションマネジャー)。


いつ頃、何が分かるのか

 史上初の小惑星衝突実験。いつ頃、何が分かるのだろう。まず、4月5日実験当日に分かるのは、SCIが分離されたか否か、探査機の状態が正常かどうか。一方、SCIが正常に起爆し、リュウグウに命中したか、その結果どんな物質が巻き起こったかについては、分離カメラの映像が届くまで分からない。「カメラ画像が4月5日中に届くかどうかは約束できない」(久保田氏)とのこと。

 リュウグウにどんなクレーターができたか、その詳細観測は4月22日の週に行われる予定だ。リュウグウ上空約1.7〜2kmからはやぶさ2が観測を行い、衝突実験前の3月末の画像と比べて変化を抽出する。

 もしクレーターができ、はやぶさ2が着陸できるような状態だと判断すれば、5月に着陸する可能性がある。しかし「人工クレーターを作るのが成功の基準であり、内部の物質を採れるかどうかは相手次第。2月のタッチダウンの映像は(大量の物質が浮遊し)衝撃的で、慎重にならざるをえない」(久保田氏)、凸凹が多く、平らなところがなければ着陸しない可能性もあるという。

 衝突装置が分離したらもう、止められない。40分間で小惑星の横をすり抜け、探査機は安全に退避できるのか。ハラハラドキドキの壮大な実験が3億km彼方の小さな天体で行われようとしている。「小惑星にクレータ(穴)をあける前に、私の胃に穴があきそうです」(佐伯氏、ISASニュース2019年1月号より)。

 新たな探査の領域を切り拓けるか。世界初の実験が成功するよう見守りたい。

筆者:林 公代

JBpress

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