プシケの科学。太陽系初期を知る手がかりとなるユニークな小惑星

プシケの科学。太陽系初期を知る手がかりとなるユニークな小惑星天文・宇宙
©NASA/JPL-Caltech

画像:NASAのジェット推進研究所では、ガンマ線と中性子の分光器をNASAのサイキ宇宙船に組み込む作業が行われている。この装置は、ターゲットである小惑星「プシケ」を構成する元素の特定に役立つ。

来年打ち上げられる予定のサイキは、岩や氷ではなく、金属を多く含む小惑星の探査を初めて行うNASAのミッションです。

小説家ジュール・ヴェルヌが「地球の中心への旅」を書いてから150年以上が経過しましたが、そのSFの冒険に現実はまだ追いついていません。

人類は地球の金属コアに道を開くことはできませんが、NASAは、過ぎ去った世界の溶融したコアの凍結した残骸であるかもしれない巨大な小惑星を訪れることを目指しています。

『プシケ』と呼ばれるこの小惑星は、火星と木星の間の主要小惑星帯の中で太陽の周りを回っています。

地球に設置されたレーダーや光学望遠鏡から得られたデータによると、プシケは主に金属でできていると考えられています。

これは、太陽系の形成初期に他の大きな天体との衝突を繰り返し、外側の岩石の殻を剥ぎ取られた初期の惑星の構成要素の、鉄分を多く含む内部の一部または全部である可能性があります。

この小惑星は、最も幅の広い部分で約280キロありますが、他の可能性もあります。

太陽系内のどこかで金属に富む物質から形成された、まったく別の種類の鉄に富む天体の残骸である可能性もあるのです。

それを解明しようとしているのが、NASAのサイケ・ミッションです。

2022年8月の打ち上げを予定しているこの探査機は、名前の由来となった小惑星を2年間にわたって周回し、写真撮影や表面のマッピングを行い、古代の磁場の痕跡を探します。

また、小惑星の表面から放出される中性子やガンマ線を調査し、小惑星の元素組成を明らかにする予定です。

磁力計の取り付け

2021年6月28日、南カリフォルニアにあるNASAのジェット推進研究所のエンジニアが、磁力計の計器を同機関のサイキ探査機に組み込む。この装置は、プシケの小惑星が、初期の惑星の構成要素である微惑星の一部であるかどうかを判断するのに役立ちます。©NASA/JPL-Caltech

アリゾナ州立大学の主任研究員であるLindy Elkins-Tanton氏は、「プシケにはまだ答えのない基本的な疑問がたくさんあります。地球から収集したデータから詳細な情報が追加されるたびに、理にかなったストーリーを作るのが難しくなっています。実際に行ってみないと何が見えるのかわからないし、きっと驚くことになるでしょう。」と述べています。

例えば、これまでの地上からの観測では、小惑星の90%は金属であると考えられていました。

Elkins-Tanton氏が率いる最近の研究では、最新の密度測定を用いて、小惑星の金属の割合は30%から60%の間であると推定されています。

また、プシケには鉄と酸素の化合物である酸化鉄が少ないとされており、科学者たちは困惑しています。

鉄と酸素の化合物である酸化鉄は、火星、水星、金星、地球にも存在しています。

「もし、プシケが金属と岩石の混合物であり、岩石に酸化鉄がほとんど含まれていないというのが正しければ、プシケがどのようにして作られたのか、不思議な物語があるはずです。なぜなら、惑星の誕生に関する標準的な物語に合致しないからです。」とElkins-Tanton氏は述べています。

サイキのマルチスペクトルイメージャー

写真は、2021年9月13日、カリフォルニア州サンディエゴにあるMalin Space Science Systems社で組み立てとテストを行っているサイキのマルチスペクトルイメージャー。©NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

プシケの謎

科学者たちは、プシケがどこで形成されたのかもわかりません。

主要な小惑星帯の中で生まれた可能性もありますが、地球のような内惑星と同じゾーンで生まれた可能性もありますし、現在の木星のような巨大惑星が存在する太陽系外で生まれた可能性もあります。

どちらの起源も、太陽から4億5千万キロ離れた場所でプシケが生きているという単純な道筋ではありません。

小惑星は一般的に、惑星の形成や46億年前の初期太陽系の様子を知ることができます。

しかし、プシケは、金属を含み、密度が高く、鉄の酸化物の濃度が低いという珍しい性質を持っているため、科学者にとって特に興味深い存在です。

コロラド州ボルダーにあるサウスウエスト研究所のサイキ・ミッション・サイエンティストのBill Bottke氏は、「非常に珍しいという事実は、小惑星がどのように進化したかについて、これまでにない新しい物語を教えてくれます。これは、私たちが今持っていない物語の一部です。このピースと他のすべてのピースを組み合わせることで、私たちは、太陽系がどのように形成され、初期に進化したかについての物語をさらに洗練させていくことができます。」と述べています。

サイキ宇宙船に組み込まれたガンマ線・中性子分光器

NASAのジェット推進研究所で、サイキ探査機に組み込まれたガンマ線・中性子分光器を検査するエンジニア。この装置は、ターゲットである小惑星「プシケ」を構成する元素の特定に役立つ。©NASA/JPL-Caltech

解明のためのツール

小惑星の起源を解明するために、このミッションの科学調査では、磁力計、ガンマ線と中性子分光器、マルチスペクトルイメージャーが使用されます。

小惑星が地球のような磁場を発生していないことは科学者の間で知られていますが、もしプシケに過去に磁場があったとすれば、それは現在も小惑星の物質に記録されている可能性があります。

磁力計は、2メートルのブームに取り付けられたセンサーによって、プシケが今も磁化されているかどうかを判断します。

磁化が残っていれば、この小惑星が初期の惑星の構成要素である「微惑星」のコアの一部であることが確認できます。

また、ガンマ線と中性子分光器を用いて、小惑星の化学元素を調べることができます。

宇宙線や高エネルギー粒子がプシケの表面に衝突すると、表面物質を構成する元素がそのエネルギーを吸収します。

その際に放出される中性子やガンマ線を分光器で検出し、既知の元素が放出する中性子やガンマ線の性質と比較することで、プシケが何でできているかを特定することができます。

一方、マルチスペクトルイメージャーは、2台のカラーカメラで構成されています。

このイメージャーは、紫外線と近赤外線のフィルターを使って、人間が見ることのできる範囲の光に感度を持っています。

これらのフィルターで反射された光は、プシケの表面に存在する可能性のある岩石物質の鉱物学的性質を決定するのに役立ちます。

NASAの探査機「サイキ」を描いたイラスト

2022年8月に打ち上げ予定のNASAの探査機「サイキ」を描いたイラスト。©NASA/JPL-Caltech/ASU

また、探査機の通信システムも科学に貢献します。

Xバンド無線システムは、主に探査機にコマンドを送信したり、探査機からエンジニアリングデータや科学データを受信するために使用されます。

しかし、この電波の微妙な変化を分析することで、天体の自転、ふらつき、質量、重力場などを測定し、プシケの内部の組成や構造について新たな手がかりを得ることができます。

プシケへの視線

しかし、これらの科学的分析が始まる前に、写真が撮影されます。打ち上げから3年後の2025年後半には、サイキが小惑星の視界に入るため、イメージャーチームは厳戒態勢を敷くことになります。

「軌道に乗る前から、地球上の望遠鏡よりもはるかに優れた画像を得ることができ、大きなクレーターやクレーター盆地、さらには山脈のような特徴を捉えることができます。何が見られるかは誰にもわかりません。私たちが知っているのは、プシケの現実は、私たちが想像する以上に奇妙で美しいものになるだろうということです。」とサイキの副主席研究員であり、イメージャーチームのリーダーであるアリゾナ州立大学のJim Bell氏は述べています。

Published by NASA.
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