「宇宙レベルの方向性のなさ」を一発で治すには？科学者たちはこれを解明しました...

あなたは誰ですか？旅行者...

どこにいるの？外...

どこに行くの？遠くへ行って…

誰かがこの 3 つの自己探求の質問にこれらの答えを出したとしても、それは大したことではありません。混乱した反抗期を経験したことがない人はいるでしょうか?しかし、もし宇宙船がこのように質問に答えたら、地上の科学者たちはその場で気が狂ってしまうでしょう。広大な星の海を探検したいなら、自分の位置を常に把握しておくことが基本的な作業です。しかし、これは言うほど簡単ではありません。以下で簡単に説明しましょう。

旅行者。画像提供: NASA

宇宙で「北」を見つけるにはどうすればいいでしょうか?

次のような実験を想像してみましょう。リビングルームでカーテンをきつく閉めて、目の前の手が見えないようにしてみましょう。次に、暗視ゴーグルを装着した司会者があなたの手をつかみ、部屋の中を左右に数歩歩かせ、その後数回振り返らせます。つまり、彼はあなたが完全にめまいを感じるようにランダムに動くのです。あなたの居場所を教えて、ドアの方向を指し示してくださいと頼んだら、あなたはまだそれを実行できますか？そうでなければ、なぜ「完全に混乱して迷っている」と言うのでしょうか?

このとき、ホストはテーブルの上の小さな領域だけを照らすことができる非常に弱い光の小さな蛍光球を置き、「ここがあなたのダイニングテーブルです」と言いました。すぐにドアの方向を指示できますか?残念ながら、このマーク 1 つだけでは自分の位置を把握できないので、うまくいかないと思います。

ここで司会者は小さな蛍光ボールを取り出し、「あなたが一番座りたい小さなソファはここにあります」と言います。これで、ナビゲーション スキルがすぐに起動し、家の中のあらゆる家具の位置を示すことができます。この 2 つの小さなライトをガイドとして使用して、ドアまで後ろ向きに歩くこともできます。これは、部屋のように平面の地図に簡略化できる場所の場合、2 つの明確な参照点によって自分の位置を特定できるためです。

そこで疑問になるのが、目的のない空間を移動する探査機がどのようにして自分の位置と方向を知るのか、つまり、私は誰なのか、ということです。ここはどこですか?どこへ行くの？宇宙船が自身の位置を特定する方法は、狭い暗い部屋の中で私たちが行う方法と似ていますが、広大な三次元空間では自身の位置を特定するのがより困難です。正確に目的地に到達するには、自身の位置、姿勢、飛行方向を判断するために十分かつ明確な参照対象物を与える必要があります。

故郷に目を向けることでのみ、私たちは遠くへ向かって走ることができる

有名なボイジャー2号探査機を例に挙げてみましょう。太陽センサーとカノープストラッカーを搭載しており、太陽と全天で2番目に明るい星であるカノープスの位置を追跡します。これら 2 つの星を参考にして、旅行者は「逆方向」に旅し、太陽系と広大な宇宙を探索することができます。

あなたはこう尋ねるかもしれません: なぜ 2 番目に明るい星を追跡する必要があるのですか?ランキング1位のシリウスを選んでみませんか？シリウスは黄道に近すぎるため、太陽の方向からのまぶしさによって光路が簡単に乱されます。カノープスは太陽から十分離れているため、方向を確認するのに理想的な基準となります。

ボイジャーが開発されていた当時、あらゆるプログラムとあらゆるメモリは非常に貴重なものでした。 「カノープスが現在トラッカーに現れている」と判断する方法はまだ非常に原始的で、つまり星の明るさを測定し、それを確認のために地球に送信する、「はい、それです。引き続き監視してください」というものでした。

注意深い読者はここで立ち止まって、「ちょっと待って！」と言うでしょう。ボイジャー号が確認のために明るさのデータを地球に送ったとおっしゃいましたね？しかし、追跡装置に映っているものが必ずしもカノープスであるとは限らず、検出器のアンテナが地球に向いていない可能性もあるので、地球がデータを受信できることをどのように保証できるのでしょうか?

科学者たちの思考も非常に綿密なものでした。彼らは、ミッションの最初の 80 日間、指向性送信用の高利得アンテナではなく、発散ビームの低利得アンテナを使用して地球と通信するよう旅行者に依頼しました。この時、探査機はまだ遠くまで飛んでいなかったので、完全に地球を向いていなくても、双方の通信に問題はなかった。

メモリが重要でない今日では、多くの明るい星のスペクトル データを検出器に保存し、明るさとスペクトルに基づいて独自の判断を下せるようにしています。

スタートラッカーのメーカーの中には、明るい星の間の角度距離をデータベースに登録しているところもあります。明るい星の位置は非常にランダムなので、それぞれの距離データは固有であり、非常に信頼性があります。たとえば、トラッカーが 27.1045° 離れた 2 つの明るい星を見つけた場合、ライブラリをチェックすることで、それらがシリウスとベテルギウスであることをすぐに判断できます。両者の正体を素早く突き止めた後、スペクトルを測定したり、比較のために別の星を見つけたりして、どちらがシリウスでどちらがベテルギウスであるかを識別できます。

ボイジャー2号、本当に負けました…

では、宇宙船が飛行中に突然自分の位置がわからなくなったらどうなるでしょうか?一つの可能​​性としては、それらが軌道から外れ、どんどん遠ざかって行方不明になり、何らかの宇宙船がそれらを救出できるというものです。

例えば、つい最近、46年間宇宙を飛行していた伝説の探査機ボイジャー2号は、ほぼ「行方不明」になりました。 7月21日、NASAはボイジャー2号に指示を送ったが、バグがあり、当初地球に向けられていたアンテナが2度ずれてしまった。 2°のコンセプトとは何ですか?

腕を水平にしたまましばらくすると、疲れたときに必ず腕が震えます。肩を軸に腕は上下に1°～2°程度振れます。このとき、指先のずれはわずか1〜2センチです。大人の腕の長さはわずか 50 センチしかないからです。しかし、ボイジャー2号は200億キロも離れたところまで飛んでしまいました。このわずか 2° の角度のずれにより、信号ビームの中心は地球から 7 億キロメートルずれることになります。ご存知のとおり、地球は太陽からわずか 1 億 5000 万キロメートルしか離れていないのです。 「ミスは失敗と同じ」という言葉は、宇宙に当てはめると非常に適切です。その結果、ボイジャー2号は連絡を失いました。

地球上の科学者たちは、それを取り戻そうとしながら後悔のあまり太ももを叩いた。 8月1日、彼らは、ボイジャーと交信していた深宇宙ネットワークがまだ「私はまだ生きている」という搬送信号の痕跡を嗅ぎ取ることができることを発見した。 8月3日、科学者たちはキャンベラにあるディープ・スペース・ネットワークの100キロワットSバンドアップリンクを使用して、ボイジャー2号の方向に向かって「頭を回して！」と叫んだ。

キャンベラのディープ スペース ネットワーク アンテナ。画像提供: NASA

ボイジャー2号が送った信号は地球から逸れたが、地球はその位置を誤ることはなく、轟音は地球に直撃した。首を傾げていたにもかかわらず、それでも聞こえた。指令が発令されてから37時間後、地球は再びボイジャー2号からの通常の信号を受信し、人々は本当にそれを見つけた。

もしこの叫びが効かなかったら、ボイジャー2号は永遠に失われていたのでしょうか?実際、時々姿勢を修正し、アンテナを地球に向け直すため、回復する可能性はまだかなり高いです。先日の10月15日は私たちの計画の中ではまさにそんな日でしたが、それでも失わないことが一番です…

微調整が不可欠

宇宙船にとって、自分の位置を知ることは重要ですが、姿勢を認識して調整できることも重要です。地球の表面を撮影する衛​​星がひっくり返されてもそれに気づかなければ、すべてが無駄になってしまう。幸いなことに、技術の進歩により、空間測位や姿勢認識技術が不足することはありません。

たとえば、宇宙船の方向、姿勢、速度の短期的な変化は、ジャイロスコープと加速度計を使用して検出できます。ジャイロスコープは角運動量保存の原理を利用して方向の変化を感知し、加速度計は速度の変化を感知します。映画の中で強盗に誘拐された天才少年のように、彼は目隠しをされていても車が何回曲がったか（ジャイロスコープ）や、何回信号を待ったか（加速度計）がわかり、その後警察を強盗の隠れ家までまっすぐに導くことができたのです。

前の記事で何度も触れた星の位置は、宇宙船に現在地を知らせるだけでなく、現在の姿勢も知らせます。私たちが自分の部屋にいるときと同じように、重力を考慮せずとも、目の前に天井があり、足が壁に面し、頭が別の壁に接しているのを見ると、すぐに自分が平らに横たわっていることがわかります。宇宙船は自身の姿勢を把握した後、どこを向いても観測を行うことができます。

たとえば、ハッブル・ディープ・フィールドは、ケプラー望遠鏡が白鳥座とこと座の間に照準を定めている間に、おおぐま座の 2.6 分角の範囲で撮影された 342 枚の画像の合成画像です。

ケプラー望遠鏡で観測された領域。画像提供: NASA

地球の近くを飛ぶ通信衛星や気象衛星は、常に地球を向いている必要があるため、地球を周回するたびに宙返りをしなければなりません。星を追跡したり、ジャイロスコープを使用して姿勢を取得することに加えて、低コストで信頼性の高い方法がいくつかあります。たとえば、赤外線地平線計器は、地球の大気からの赤外線放射を冷たい空間と比較することで、宇宙船の真下の地面を円の中心として、地球の円形の輪郭を素早く感知することができます。

赤外線地平線計は、赤外線放射の急激な上昇と下降を観測することで地球の輪郭を取得し、自身の姿勢を決定します。衛星は西安上空を飛行しています。著者が作成した概略図

星の追跡についてまだ疑問があるかもしれません。星は球体上に固定されているのではなく、3 次元空間に分布しています。たとえ球体であっても、宇宙船が宇宙空間を高速で移動しても、星の位置が変わらないのはなぜでしょうか?参照用にデータベースに保存するにはどうすればいいでしょうか?

これは星が遠すぎるからです。最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリでさえ、4.22光年離れています。ボイジャー2号は46年間飛行し、プロキシマ・ケンタウリまでの距離の2000分の1に到達したばかりです。それは、半径 2 メートルの円の中心に私たちを置き、46 年間で 1 ミリメートル移動し、何か変化を感じるか尋ねるようなものです。宇宙船から見ると、太陽以外の星の位置はほとんど動いていません。

しかし、もし私たちの宇宙船が永遠に生き続けるとしたら、あるいは単に「流浪の地球」を持ち、飛び続けて観察し続けるとしたら、星々の間を移動するにつれて私たちの目に見える星の位置は徐々に変化し、見慣れた星座も歪んでしまい、既存の姿勢認識方法は効果を発揮しなくなるでしょう。

もちろん、解決策は2つあります。 1つは、より遠くの銀河を参照として使用することです。これらは私たちから数千万光年離れており、規模も大きく、したがってより安定しています。 2 つ目は、星の位置だけでなく、距離、固有速度など、星に関するより多くの情報を使用することです。この方法では、宇宙船は特定の場所に飛行したときに基準となる星の位置がどのように変化するかを自ら計算できます。これを実現するには、星までの距離を非常に正確に測定する必要があります。

要約する

宇宙船にとって、その位置と姿勢を知ることは重要であり、そのためには基準となる物体が必要であり、最も一般的に使用される基準となる物体は星です。人類が星の海に向かって進み続けるにつれ、私たちの星図はますます正確で大きくなり、より多くの宇宙船が遠くまで飛ぶのに役立つでしょう。

企画・制作

著者: ク・ジオン、ポピュラーサイエンスクリエイター

レビュー丨中国科学院国家宇宙科学センター研究員 劉勇

企画丨Ding Zong

編集者：白 麗