ボイジャー2号は、天王星(R)と海王星(L)の両方で飛行し、両方の世界の特性、色、雰囲気、リングシステムを明らかにしました。 どちらにも、リング、多くの興味深い月、そして調査を待っている大気および表面の現象があります。 (NASA /ボイジャー2)

イーサンに聞く:カッシーニのようなミッションを天王星や海王星に送ることはできますか?

NASAのカッシーニ宇宙船は、土星について私たちが想像した以上のことを教えてくれました。 天王星と海王星についても同様のことができますか?

私たちが太陽系のどこにいるかから、強力な地上および宇宙ベースの観測所で遠くの宇宙を見渡すと、私たちの多くが達成できないと思っていた見方や知識を得ることができました。 しかし、多くの惑星への専用のミッションが私たちに教えてくれたので、実際に遠く離れた場所に旅行することに代わるものはまだありません。 惑星科学に費やしたすべてのリソースにもかかわらず、天王星と海王星にミッションを送ったのは、ボイジャー2だけでした。 それらの外の世界へのオービターミッションの私たちの見通しは何ですか? Patreonのサポーターであるエリックジェンセンは、次のように尋ねています。

重力ブーストのために木星を使用して宇宙船を天王星または海王星に送ることができる時期が近づいています。 これを使用する上での制約は何ですか?「氷の巨人」の周りの軌道に入るのに十分な速度で減速できることは何ですか?

見てみましょう。

目視検査では、地球サイズと海王星サイズの世界の間に大きなギャップがあることが示されていますが、現実には、地球よりも約25%だけ大きくても、まだ岩が多いです。 より大きなもので、あなたはガスの巨人です。 木星と土星は、それらの惑星のおよそ85%を占める巨大なガスのエンベロープを持っていますが、海王星と天王星は非常に異なり、それらの大気の下に大きな液体の海があるはずです。 (月と惑星の研究所)

太陽系は複雑ですが、ありがたいことに定期的な場所です。 外側の太陽系、つまり木星の向こうの惑星に到達する最良の方法は、木星自体を使用してそこに到達することです。 物理学では、(宇宙船のような)小さな物体が(星や惑星のような)静止した巨大な物体によって飛ぶときはいつでも、重力はその速度を大幅に変えることができますが、その速度は同じままでなければなりません。

しかし、重力的に重要な3番目のオブジェクトがある場合、そのストーリーはわずかに変化し、特に外部の太陽系への到達に関連する方法で変化します。 たとえば、太陽に結合している惑星によって飛ぶ宇宙船は、惑星/太陽系に勢いを与えたり、与えたりすることによって、速度を上げたり下げたりすることができます。 巨大な惑星は気にしないが、宇宙船はその軌道に応じてブースト(または減速)を得ることができる。

ここに示すように、重力スリングショットは、宇宙船が重力アシストによってその速度を向上させる方法です。 (WIKIMEDIA COMMONS USER ZEIMUSU)

このタイプの操作は重力アシストとして知られており、ボイジャー1とボイジャー2の両方を太陽系の外に出すために、そして最近では、ニューホライズンをプルートで飛行させるために不可欠でした。 天王星と海王星はそれぞれ84年と165年という非常に長い軌道周期を持っていますが、それらに到達するためのミッションウィンドウは12年程度ごとに繰り返されます。木星が軌道を完了するたびに。

地球から打ち上げられた宇宙船は、通常、木星からの重力アシストに備えて、いくつかの内部惑星によって数回飛行します。 惑星によって飛んでいる宇宙船は、明白にパチンコを打つことができます—重力パチンコは、より速い速度とエネルギーにそれを後押しする重力アシストの言葉です— もし私たちが望むなら、私たちは今日、海王星への任務を開始することができるのは正しいです。 天王星は近くにあるので、さらに簡単に行くことができます。

NASAのメッセンジャープローブの飛行経路。多数の重力アシストの後、水星の周りの成功した安定した軌道に巻き込まれました。 太陽系の外側に行きたい場合も同様ですが、重力を使って太陽中心速度を減ずるのではなく、太陽中心速度に加えます。 (NASA / JHUAPL)

10年前に、アルゴミッションが提案されました。それは、木星、土星、海王星、カイパーベルトオブジェクトのフライバイで、打ち上げウィンドウは2015年から2019年まで続きます。しかし、フライバイミッションは簡単ではありません。宇宙船の速度を落とします。 世界中の軌道に挿入するのは難しいですが、やりがいもあります。

オービターは、1回のパスの代わりに、長期間にわたって全世界をカバーすることができます。 世界の空気の変化を見て、人間の目には見えないさまざまな波長で連続的に調べることができます。 新しい月、新しいリング、予想外の新しい現象を見つけることができます。 着陸船または探査機を惑星またはその月の1つに送ることもできます。 これらすべて、さらには最近完了したカッシーニ任務で土星の周りですでに起こっていました。

カッシーニ広角カメラで撮影された土星の北極の2012年(L)および2016年(R)の画像。 色の違いは、直接の光化学変化によって引き起こされる土星の大気の化学組成の変化によるものです。 (NASA / JPL-CALTECH /宇宙科学研究所)

カッシーニは、土星の物理的および大気の特性について学ぶだけではありませんでした。 それはリングをイメージして学ぶだけではありませんでした。 最も驚くべきことは、私たちが予測したはずのない変化や一時的なイベントを観察したことです。 土星は季節変化を示し、それはその極周辺の化学的および色の変化に対応していました。 土星で巨大な嵐が発生し、惑星を取り囲み、何ヶ月も続いた。 土星の環は強烈な垂直構造を持ち、時間とともに変化することがわかった。 それらは静的でなく動的であり、惑星と月の形成について私たちに教える研究室を提供します。 そして、そのデータを使用して、古い問題を解決し、その衛星であるイアペトゥス、タイタン、エンケラドスなどに関する新しい謎を発見しました。

8か月の間に、太陽系で最大の嵐が猛威を振るい、ガスの巨大な世界全体を取り囲み、内部に10〜12個もの地球を収めることができました。 (NASA / JPL-CALTECH /宇宙科学研究所)

天王星と海王星についても同じようにしたいと思うことはほぼ間違いありません。 天王星と海王星への軌道に乗る多くのミッションが提案されており、ミッション提出プロセスでかなり遠くまで行きましたが、実際に建造されたり飛行したりする予定はありません。 NASA、ESA、JPL、および英国はすべて、まだ稼働している天王星のオービターを提案していますが、将来がどうなるかは誰にもわかりません。

これまでのところ、私たちはこれらの世界を遠くから研究しただけです。 しかし、両方の世界に到達するための起動ウィンドウが同時に揃う、今から何年も後の将来のミッションに大きな希望があります。 2034年に、概念的なODINUSミッションは、双子のオービターを天王星と海王星の両方に同時に送りました。 ミッション自体は、NASAとESAの間の壮大な合弁会社になるでしょう。

ハッブルが発見した天王星の最後の2つの(最も外側の)リング。 ボイジャー2フライバイから天王星の内部リングに非常に多くの構造を発見しましたが、オービターはさらに多くを見せてくれました。 (NASA、ESA、およびM. SHOWALTER(SETI INSTITUTE))

2011年にNASAの惑星科学10年調査に提案された主要な旗艦クラスのミッションの1つは、天王星の探査機と軌道探査機でした。 このミッションは、Mars 2020ローバーとEuropa Clipperオービターに次ぐ3番目の優先順位にランクされました。 天王星の探査機は、地球、木星、天王星が最適な位置に達したとき、毎年21日間のウィンドウで2020年代に打ち上げられる可能性があります。 オービターには、天王星、その環、および月のさまざまな特性を画像化および測定するように設計された3つの別々の機器が搭載されます。 天王星と海王星は、その大気の下に巨大な液体の海があり、オービターはそれを確実に発見できるはずです。 大気プローブは、雲を形成する分子、熱分布、および深さによって風速がどのように変化したかを測定します。

ESAがNASAとの合弁事業として提案したODINUSミッションは、2組のオービターで海王星と天王星の両方を探査します。 (ODINUS TEAM — MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

ESAのCosmic Visionプログラムによって提案された、Neptunian and Uranian Systems(ODINUS)ミッションのOrigins、Dynamics、Interiorsは、さらに遠くに行きます。 2034年の打ち上げウィンドウでは、地球、木星、天王星、海王星がすべて正しく揃っているため、両方を同時に送信することができました。

フライバイミッションは、世界を間近で見ることで多くのことを学ぶことができるので、最初の出会いに最適です。 彼らはまた、複数のターゲットに到達できるので素晴らしいです。一方、オービターは、軌道に乗ることを選択したどんな世界にも行き詰まっています。 最後に、オービターは燃焼を実行し、減速し、安定した軌道に入るように燃料を搭載する必要があるため、ミッションの費用がはるかに高くなります。 しかし、惑星の周りに長期的に残ることで得られる科学は、それを補う以上のものだと私は主張します。

世界を軌道に乗ると、すべての側面から見ることができ、リング、月、それらが時間の経過とともにどのように動作するかを確認できます。 たとえば、カッシーニのおかげで、捕獲された小惑星フィービーに由来する新しいリングの存在と、謎の月イアペトゥスの半分だけを暗くするその役割を発見しました。 (NASA /カッシーニの画像から派生したスミソニアンエア&スペース)

このようなミッションの現在の制限は、技術的な成果によるものではありません。 今日それを行う技術が存在します。 困難は次のとおりです。

  • 政治:NASAの予算は有限で限られており、そのリソースはコミュニティ全体に貢献しなければならないため、
  • 物理的:NASAの新しい重量物運搬車であるSLSの無人バージョンであっても、限られた量の質量を外部の太陽系にのみ送信できるため、
  • 実用的:太陽からこれらの信じられないほどの距離では、ソーラーパネルは機能しません。 この遠方の宇宙船に電力を供給するためには放射性の線源が必要であり、その仕事をするのに十分ではないかもしれません。

最後の1つは、他のすべてが調整されたとしても、契約解除者になる可能性があります。

自身の熱で輝くプルトニウム238酸化物ペレット。 核反応の副産物としても生成されるPu-238は、火星の好奇心探査機から超遠距離のボイジャー宇宙船まで、深宇宙の車両に動力を供給するために使用される放射性核種です。 (米国エネルギー省)

プルトニウム238は核物質の処理で作成された同位体であり、そのほとんどの店舗は、核兵器を積極的に作成および備蓄していた時代のものです。 ラジオアイソトープ熱電発電機(RTG)としてのその使用は、月、火星、木星、土星、冥王星、およびパイオニアとボイジャーの宇宙船を含む多数の深宇宙探査機への任務に壮観です。

しかし、1988年に製造を停止し、ロシアからの購入オプションも、製造を停止したため減少しています。 オークリッジ国立研究所で新しいPu-238を作るための最近の取り組みが始まり、2015年末までに約2オンスを生産しました。オンタリオ発電所と同様に、そこでの継続的な開発により、2030年代までにミッションに電力を供給するのに十分な電力を生み出すことができます。

Voyager 2の広角カメラのクリアフィルターを介して得られた2つの591秒露出のステッチ。最高の感度を持つ海王星の完全なリングシステムを示しています。 天王星と海王星には多くの類似点がありますが、専用のミッションで前例のない違いを検出することもできます。 (NASA / JPL)

惑星に遭遇したときの移動が速いほど、減速して軌道に乗るために宇宙船に燃料を追加する必要があります。 プルートへの任務のために、チャンスはありませんでした。 New Horizo​​nsは小さすぎ、その速度は速すぎました。さらに、冥王星の質量は軌道挿入を行うために非常に低くなっています。 しかし、海王星と天王星については、特に木星とおそらく土星からの適切な重力アシストを選択した場合、これは実現可能である可能性があります。 天王星だけに行きたいのであれば、2020年代のどの年にも打ち上げることができます。 しかし、両方に行きたいのであれば、2034年がその年です。 海王星と天王星は、質量、温度、距離の点で私たちに似ているように見えるかもしれませんが、地球が金星から来ているのとまったく同じように異なるかもしれません。 調べる方法は1つだけです。 少しの運とたくさんの投資と努力で、私たちは人生の中で見つけることができるかもしれません。

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(注:質問してくれたPatreonサポーターのErik Jensenに感謝します!)

Starts With A BangがForbesに掲載され、PatreonサポーターのおかげでMediumに再掲載されました。 イーサンは、2冊の本 『Beyond The Galaxy』と 『Treknology』を執筆しています。Scienceof Star TrekからTricordersからWarp Driveまで。