小惑星探査機「ドーン」

 ドーン (Dawn) とは、アメリカ航空宇宙局 (NASA) が打ち上げた準惑星ケレスおよび小惑星ベスタを目標とする無人探査機で、ディスカバリー計画のミッションの一つである。史上初の、小惑星帯に永久にとどまる人工物となる。

 Dawnとは、夜明け・あけぼの・暁などを意味している。ドーン・ミッションの目的は、太陽系初期の状態を残していると考えられる、2つの大きな原始的天体を調べることで、太陽系誕生の謎に迫ることである。

 ケレスとベスタは太陽系の別々の場所で誕生したと考えられており、それによる対照的な違いがいくつも見られる。ケレスはその形成段階において地下水による「冷たく湿った」状態を経験しているとされている。



 一方ベスタはマントルや核といった内部構造を持ち、また表面にある火山活動の形跡などから「熱く乾いた」状態を経験していると考えられている。スペクトルもケレスがG型、ベスタがV型とまったく異なる。

 探査機はデルタIIロケットで打ち上げられ、ディープ・スペース1号で用いられたキセノンイオン・スラスタ「NSTAR」3基を用いて長期間航行。

 計画はカリフォルニア大学ロサンゼルス校の宇宙科学者クリストファー・T・ラッセルを中心に進められた。NASAのジェット推進研究所 (JPL) はイオンエンジンと飛行システム開発のマネジメントを提供した。ドイツ航空宇宙センターはフレーミングカメラを、イタリア宇宙局はマッピング分光計を、米エネルギー省のロスアラモス国立研究所はガンマ線分光計を提供した。


 探査機「ドーン」の打ち上げと準惑星ケレス到着

 宇宙予算の削減と人員不足、そして技術上の問題から、探査機の打ち上げは度々延期された。2003年12月に計画は一度中止されていたが、2004年2月には復活した。この当時は2006年5月に打ち上げを予定していたが、悪天候などの理由で度重なる延期の末、2007年9月27日午前7時34分(アメリカ東部標準時。日本時間では同日午後8時34分)に打ち上げに成功した。

 2015年3月6日午後10時半ごろ(日本時間)、NASAの探査機「ドーン」が準惑星ケレスの周回軌道に入った。2007年に打ち上げられたドーンは2011年~2012年に小惑星ベスタを探査、その周回軌道を離脱してからケレスを目指してきた。

 ケレスは火星軌道と木星軌道にはさまれた「小惑星帯」にある最大の天体(直径約950km)で、1801年に発見された小惑星第1号だ。2006年に、冥王星などとともに準惑星の1つに分類された。2015年3月には、いて座方向で9等の明るさで見える。

 今回、準惑星ケレスでは水和鉱物が広範囲に広がっており、過去に全球規模の海が存在していた可能性が示された。また、地殻の下に柔らかく変形しやすい層の存在が示唆され、残った液体の痕跡ではないかと考えられている。


 ケレスに過去の海の痕跡

 準惑星「ケレス」には、過去に全球的な海が存在していた可能性が示唆されている。その海がどうなったのか、まだケレスには液体が残っているのか、2つのチームが探査機「ドーン」の観測データを利用した研究を行って、これらの疑問に関する成果を発表した。

 NASAジェット推進研究所のAnton Ermakovさんたちの研究は探査機の軌道のわずかな変化を追跡することでケレスの形状と重力を示すデータを取得し、そこからケレスの内部構造や組成を調べた。そして、現在も(少なくともつい最近まで)地質学的な活動がケレスで起こっている可能性を支持する結果を得た。

 ケレス上の3つのクレーター「オッカトル」「カーワン」「ヤロデ」と孤独な高い山「アフナ山」は、すべて重力異常と関連がある。つまり、ケレスのモデルと実際の観測とで差があり、その差は地下の構造に関係があるかもしれないという。「ケレスでは、目立った地形と関連のある重力異常がきわめて多いのです」(Ermakovさん)。

 Ermakovさんたちは地殻の密度が比較的低く、岩石よりも氷の密度に近いことを発見した。しかし別の研究では、ケレスの硬い地殻を主に構成する物質として氷は柔らかすぎることが示されている。

 どうしてケレスの地殻は密度が氷のように低いにも関わらず、氷よりも頑丈なのだろうか。この謎を解くため、米・ハーバード大学のRoger Fuさんたちの研究チームはケレスの表面がどのように時間経過で進化してきたのかに関するモデルを作った。主に頑丈な岩石から成る地殻は、太陽系の年齢である45億年以上変化することはないが、氷や塩を豊富に含む弱い地殻はその間に変形するという具合に、天体の地形の進化を調べると内部組成を知ることができる。

 ケレスの地殻の動きをモデル化することにより、Fuさんたちは、地殻を構成しているのは氷や塩、岩石であることを発見した。さらに、水分子が気体分子を取り囲むようにかご状構造を作って結晶化した物質である水和包接化合物も含まれると考えられている。水和包接化合物は、密度は水の氷とほぼ同じでありながら、強さは100倍から1000倍もある。

 過去ケレスの表面には、もっとはっきりした地形が存在していたが、時間の経過とともに平らになってしまったと考えられている。山や谷の平坦化には、変形しやすい層の上に強度の高い地殻があるという構造が必要だが、この変形しやすい層には少量の液体が含まれているとFuさんたちは解釈している。

 研究チームは、かつてケレスに存在していた海の大部分は現在凍っていて、氷や包接水和物および塩といった形で地殻の中に残っており、40億年以上もの間その状態が続いてきたと考えている。もし液体が今も底に残っていれば、海は完全に凍ってはいないことになり、ドーンがケレスに到着する前に発表された複数の熱進化モデルと一致する。つまり、ケレスの奥深い内部に昔の海の名残である液体が含まれているとする考え方が支持される。

 「知れば知るほど、ケレスは複雑でダイナミックな世界であることがわかってきています。過去ケレスには、大量の液体の水をたたえた海が存在していたのかもしれません」(ドーン・プロジェクトサイエンティスト Julie Castillo-Rogezさん)。


 ケレスの内部進化と表面の特徴の関係

 NASA JPLのJennifer Scullyさんたちの研究チームが探査機「ドーン」の観測画像を分析し、準惑星ケレス表面の地形と内部進化に関する手がかりを調べる研究を行った。

 Scullyさんたちはまず、ケレス上で衝突クレーターの外に見られる、長さ1km以上の線状に伸びる2000個以上の地形の分布図を作成した。そして、表面下から上昇する物質と地形の関係を明らかにするため、ドーンが観測した2種類の線状地形の成り立ちの違いを次のように解釈した。

 最もよく見られる線状地形である「2次クレーターの連なり」は大きな衝突クレーターが形成された際に飛び散った破片できた円形のくぼみが長くつながったもの、「くぼみの連なり(ピットチェーン)」は表面下の割れ目が表面に現れたもの、という違いだ。このうち内部進化に関する情報を得られるのは、2つの線状地形のうち後者の「くぼみの連なり」地形ということになる。

 2次クレーターの連なりとくぼみの連なりは非常によく似ており、その区別は難しい。しかし、くぼみの連なりが不規則であるのに比べて2次クレーターの連なりは比較的丸いことや、2次クレーターの周囲に見られることが多い盛り上がった縁がくぼみのほうにはないことなど、細かい違いをもとにして識別がなされた。

 では、くぼみの連なりのもとと考えられる割れ目の成因は何だろうか。この地形はケレス表面上で均等に分布していないので、全球規模の地下海が凍って形成されたとは考えにくい。また、大きな天体が衝突した証拠も見られないので、そうした衝突が原因とも考えられない。

 最も可能性として高いのは、数億年前に、ケレスの地表下にあった周囲より密度の低い物質が上昇し、地殻に無数の割れ目を作ったという考え方だ。

 今回の成果はケレスの内部進化のモデル構築に役立つだろう。そのモデルから、線状地形の近くで物質の上昇が起こったのかどうかを検証するのが次の課題となる。


 探査機「ドーン」主要ミッションを終了

 2007年に打ち上げられ小惑星ベスタと準惑星ケレスの周回探査を行ってきた探査機「ドーン」は、2017年6月30日に主要ミッションを完了した。

 探査機「ドーン」は2007年9月に打ち上げられ、2011年7月から2012年9月まで小惑星ベスタを、その後2015年3月からは準惑星ケレスを、それぞれ周回しながら探査してきた。2つの天体を周回した史上初の探査機であり、総航行距離は56億kmにも及ぶ。

 ベスタとケレスはどちらも小惑星帯に位置する大型の天体だ。ドーンの探査によって、ベスタは乾燥しており、ケレスは最大で25%(質量比)ほど水の氷を含んでいる可能性があることなど、詳細が明らかにされてきた。また、ベスタにはエベレスト山の2倍以上も高い山があり、ケレスにはオッカトル・クレーターに謎の光点が見つかるなど、数々の興味深い地形もとらえられてきた。

 そのオッカトル・クレーターの光点について、正体は炭酸塩鉱物らしいという研究結果が発表されている。地球外でこれほど多くの炭酸塩鉱物が見つかったのは初めてのことだ。主成分の炭酸ナトリウムは、地球では熱水環境で見られる物質であることから、ケレスの内部がこれまでの想定よりも温かいかもしれないと推測され、地下に液体の水が存在していた可能性も考えられる。

 オッカトル・クレーターでは炭酸ナトリウムの他に重炭酸ナトリウム(重曹)やアンモニア塩も検出されている。宇宙生物学的な研究対象として関心の高い土星の衛星エンケラドスの間欠泉にも見られる物質であることから、ケレスへの関心も高まりそうだ。

 また、ケレス全体の地形の分析から、大型のクレーターのほとんどは深さが2km以上あり、数十億年にわたって崩れていないとみられることが示された。このことから、ケレスの地下には最大40%(体積比)の氷が含まれ、残りは岩や低密度の物質の混合物らしいことがわかった。

 主要ミッションを終えたドーンは、小惑星アデオナに向かうという計画案もあったが、引き続きケレスの周回探査を続ける予定である。


 小惑星「ベスタ」とは何か?

 ベスタまたはヴェスタ (4 Vesta) は、将来的に準惑星に分類される可能性がある太陽系の小惑星の一つ。1807年3月29日にドイツのブレーメンでハインリヒ・オルバースによって発見され、古代ローマの女神ウェスタにちなんで名付けられた。命名者はカール・フリードリヒ・ガウス。

 ベスタの発見は1801年のケレス(2006年以降は準惑星)以来4例目であるが、以後1845年にアストラエアが見つかるまで小惑星の発見は途絶えることとなる。ベスタの直径は468 - 530kmと、小惑星帯(メインベルト)では3番目の大きさであり、四大小惑星の一つに数えられる。ベスタの表面は他の小惑星に比べて格段に明るいため、条件さえそろえば小惑星の中では唯一、肉眼で見ることができる。また、ケレスなどとともにハッブル宇宙望遠鏡とケック望遠鏡により詳細な観測がなされている。

 ベスタと他の小惑星を分ける特徴の一つとして、内部が分化している(地球のような層状構造を持つ)点が挙げられる。中心部には鉄とニッケルからなる核があり、その外側にカンラン石からなるマントルを持つ。表面は溶岩流に起因する玄武岩からなり、かつて小規模ながら火山活動が存在したと考えられている。これらの特徴は、太陽系の歴史の初期においてベスタ内部が相当の熱量により融解していたためであると考えられる。

 ベスタのような層状構造を持つ分化小惑星は、かつては複数存在していたと考えられており、このような小惑星が衝突などによって破壊されたことが、太陽系に存在する小惑星の組成の違いの原因になっていると考えられている。金属質の小惑星は、古代の分化小惑星の核に由来し、岩石質の小惑星はマントルや地殻に由来すると考えられる。

 もっとも、ベスタも太陽系形成期の姿のまま残っているわけではないと考えられている。ハッブル宇宙望遠鏡による観測により、ベスタが形成してから10億年ほど経った時期に作られたと考えられる、直径460kmのクレーター、レアシルヴィア(Rheasilvia)が南極に発見されている(さらに、ドーンによりレアシルヴィアに隣接してさらに古いクレーター、ヴェネネイア(Veneneia、直径395km)も発見されている)。

 このクレーターが他の小さなV型小惑星の起源になっているかもしれないと考えられており、(1929) コッラー (Kollaa) や (3850) ペルチャー (Peltier) などの小惑星がそのような天体の候補として挙がっている。また、1931年にチュニジアに落下したタタフィン隕石 (Tatahouine meteorite)、2003年にモロッコとアルジェリアの国境付近で発見されたNWA 1929隕石もベスタ起源だとされている。


 準惑星「ケレス」とは何か?

 ケレス(Ceres)は、準惑星の1つで、小惑星帯に位置する最大の天体。セレスとも発音する。小惑星として初めて発見された天体でもあり、小惑星番号1番を持つ(1 Ceres)。ケレス (Ceres) の名称は、後述のようにローマ神話の女神ケレス(ケレースとも)に由来する。日本語では、Ceres のラテン語読みに近いケレスに加え、フランス語/スペイン語読みのセレスの名称で表記されることも多い。なお、英語読みをした場合はシリーズといった表記となる。現代中国語では穀神星と訳されている。

 ケレスは小惑星帯における最大の天体であり、その質量は小惑星帯の天体の総質量の4分の1から3分の1を占める。2番目に大きいパラスの質量は、ケレスの5分の1ほどである(質量においてはベスタが2番目で、こちらはケレスの3.5分の1ほどである)。

 ケレスは、太陽光によって温められていることから、ごくわずかな大気と霜が存在すると考えられている。また、形状がほぼ球形であり、表面の凹凸が少ない事から、ケレスは岩石の核を持つと考えられている。コーネル大学のピーター・トーマスは、薄い地殻と岩石の核との間に厚さ60 - 120kmの氷のマントルが広がっているというモデルを提示している。

 ケレスと同じような軌道を持つ小惑星族があり、かつては「ケレス族」と呼ばれていたが、ケレスのスペクトルはこの族のほとんどの小惑星と違っているため、ケレスの方がこの族の中に紛れ込んだものと考えられるようになった。そのため、小惑星族の方は「ゲフィオン族」と改名されている。

 1801年1月1日にシチリア島にあるパレルモ天文台の台長ジュゼッペ・ピアッツィによって発見され、ローマ神話の女神ケレスから命名された。その後、見かけ上太陽に接近したために行方が分からなくなったが、カール・フリードリヒ・ガウスが最小二乗法を改良して編み出した軌道計算法によって同年の12月31日にフランツ・フォン・ツァハとハインリヒ・オルバースらにより再発見された。


 「惑星」か「小惑星」か「準惑星」か

 発見当時は新しい「惑星」とみなされていたが、その後近くの軌道に同じような天体が続々と見つかってきたこと(小惑星帯の発見)や、惑星にしては小さすぎる(最小の惑星である水星の約5分の1)ことなどから、1850年頃から「小惑星」として惑星とは区別されるようになった。それでもケレスは直径約950kmと小惑星の中では際だって大きく、その後何万という小惑星が発見されてきたにもかかわらず、およそ150年の間、ケレスは「太陽系最大の小惑星」とされていた。

 2000年代に入り、海王星以遠にクワオアー(直径1,250 km ± 50 km)などケレスを上回る大きさの太陽系外縁天体が複数発見されてきたことで、ケレスは最大の小惑星ではなくなった。しかし、その質量が自己重力によって球形を保つのに十分であるため、2006年8月のIAU総会で採択された太陽系の天体の定義により、「dwarf planet(準惑星)」として扱われることとなった。


 小惑星帯「アステロイドベルト」とは何か?

 小惑星帯(asteroid belt)は、太陽系の中で火星と木星の間にある小惑星の軌道が集中している領域を指す言葉である。ほかの小惑星集中地域に対して、それらが小惑星帯と呼ばれるようになるかもしれないと考えられるようになったころから、区別のためにメインベルト (main belt) とも呼称されている。

 多くの天文学者によって同意される一般的な理論では、惑星は太陽系の歴史の最初の100万年の間に、微惑星の累積によって形成されたとされる。微惑星は度重なる衝突によって、我々にとってなじみ深い岩の多い惑星(地球型惑星)と、巨大ガス惑星(木星型惑星)や巨大氷惑星(天王星型惑星)のコアとなった。

 しかし、現在小惑星帯と呼ばれるこの地帯では、木星の強い重力によって惑星となる最終段階を阻まれ、微惑星は単一の惑星を形成することができずにそのまま太陽の周りを回り続けた。このことから、小惑星帯は原始の太陽系の名残であると考えることができるが、多くの観測では活発な変化がみられるため、小惑星自体は原始の状態を保っているわけではない。

 対して、エッジワース・カイパーベルトなどに属する太陽系外縁天体は、太陽系の構成以来ほとんど変化が無いと考えられている。一般的なイメージとは違い、小惑星帯の大部分は空である。小惑星は、慎重に狙いをつけずに到達するのはほとんど不可能であるといえるほど広大な規模に散開している。

 それでもなお、現在小惑星帯には何十万もの小惑星が発見されており、その総数は数百万もあると推定される。またそれ以外にも1個の準惑星と逆行小惑星、何個ものメインベルト彗星や彗星・小惑星遷移天体も存在する。小惑星帯にある天体のうちおよそ220個は直径が100 kmを超え、中でも最も大きいのはケレスであり、その直径はおよそ1,000 kmである。小惑星帯内の全体の質量は2.3 ×1021 kgであると見積もられ、それは地球の月の1/35である。そしてその総量の1/3はケレスによって占められる。

 その数の多さは非常に活発な環境形成に役立ち、そのために、小惑星同士の衝突は(天文学の用語としては)頻繁に起こる。衝突は小惑星を新しい小惑星の「族」を形成するような多数の小さい断片にするか、それが低い相対速度で起こるならば2つの小惑星を接合する可能性もある。50億年後には小惑星帯にある小惑星のほとんどは現在のものと同一ではなくなっていると考えられる。

 小惑星帯は、SFの中でも科学的正確性より活劇性を重視した作品では、衝突を避けるために特殊な対策をとらねばならないほど濃い存在として描かれる。形成中の原始的な惑星とその輪ならばそのように見えるかもしれないが、小惑星帯はそうではない。

 実際には、一つの小惑星が無作為な他の小惑星の近くを通るのさえ非常に珍しいほど広大な領域に展開されている。例えば太陽系の外側、小惑星帯の向こう側に送られた多数の宇宙探査機は小惑星帯で問題を起こしたことは一度もない。さらに、小惑星とランデブーする任務を行うためには、非常に精密なターゲティング手法が必要となる。小説『2001年宇宙の旅』は、孤独な小惑星と宇宙船の「遭遇」を現実的に描いている。


参考 アストロアーツ: http://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/9488_ceres


小惑星探査機「はやぶさ」大図鑑
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惑星のきほん: 宇宙人は見つかる? 太陽系の星たちから探る宇宙のふしぎ (ゆかいなイラストですっきりわかる)
クリエーター情報なし
誠文堂新光社

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