小惑星ベンヌからのサンプルが戻ってくると、どんな驚きがあるでしょうか?

9月24日午前10時53分（東部時間）、小惑星ベンヌの表面から採取したサンプルを積んだ冥王星探査機のサンプルカプセルが、ユタ州ソルトレークシティ近郊の砂漠に無事着陸した。小惑星ベンヌがサンプル採取対象として選ばれたことの特別な点は何ですか?探査機の長距離サンプルリターンミッションではどのような新しい技術が使用されていますか?克服すべき隠れた危険は何でしょうか?このミッションは科学者にどのような科学的、技術的利益をもたらすでしょうか?

BenUを選ぶ理由

小惑星ベンヌは、1999年にNASAの資金援助を受けたリンカーン地球近傍小惑星研究チームによって発見されました。この小惑星は、赤道直径が約500メートル、地球の軌道から約750万キロ離れた軌道を周回しており、すぐに惑星防衛調整局の注目を集め、潜在的に危険な物体として分類された。

サンプルカプセルは米国ユタ州ソルトレイクシティ近郊の砂漠に着陸した。

科学者たちは継続的な観測と精密な計算の結果、小惑星ベンヌが2175年から2199年の間に地球に衝突する確率は1/2700であり、同様の地球近傍小惑星の中でも高リスクの標的であると考えている。その結果、ベンヌは多くの「競争相手」の中で目立ち、冥王星探査機の調査とサンプル採取の対象となった。明らかに、科学者たちはサンプルを研究することで、これらの「危険な元素」にどう対処するかを決定したいと考えています。

小惑星ベンヌに名前を付けるプロセスは非常に興味深い。2013年、9歳のアメリカ人少年マイケル・プッチオがコンテストで命名権を獲得した。名前の由来は、古代エジプト神話の太陽神ベンヌに由来しており、太陽、創造、再生を象徴しています。この探査機は太陽系誕生の秘密を垣間見ることができ、生命の起源の謎を解くチャンスがあるようだ。さらに、古代エジプト人はベンヌを灰色のサギとして描くことが多かったし、冥王星探査機の接触サンプラーの関節式アームと太陽電池パネルは神の首と翼に似ており、これも少年に何らかのインスピレーションを与えたのかもしれない。

実は、小惑星ベンヌがミッションのターゲットとして選ばれたのには、もう一つ重要な理由があります。科学者たちは、地球には炭素やその他の鉱物が豊富に存在し、これらの物質や岩石は太陽系の始まりの頃から存在していたと考えています。非常に古いため、そのサンプルには地球上の生命が最初に形成されたときに存在していた分子物質が含まれている可能性があり、真に貴重な「直接の資料」となっています。

ご存知のとおり、地球上の生命体は、酸素、水素、窒素などの元素と結合した炭素原子の鎖に基づいています。科学者たちは、ベンヌのサンプルから新たな発見をし、地球上の生命を「触媒」する有機物が豊富な小惑星の役割を可能な限り明らかにしたいと考えている。もし重要な発見があるとすれば、地球上の人間こそが、私たちが長い間探し求めてきた「エイリアン」なのかもしれません。

探査機の名前から、このミッションの目的を大まかに理解することもできます。 「プルート」は中国語からの直訳であり、英語の略語の音訳は「オシリス」であり、これは片手にフック、もう片手にフレイルを持つ古代エジプトの神です。伝説によると、オシリスはエジプトのナイル川デルタ地域の人々に農業の知識を教え、​​生命の再生を促進した。冥王星探査機が持ち帰った小惑星のサンプルには、地球上の生命の起源に寄与した有機物が含まれている可能性が高い。さらに、オシリスのもう一つの役割は死を象徴する冥界の神であり、冥王星探査機が探査しようとしている小惑星が地球に衝突し、破壊と死をもたらす可能性があることを示唆しています。

新しい技術が新しい問題を解決する

2016年に冥王星探査機が打ち上げられ、小惑星ベンヌの軌道に向かったが、急いで小惑星に着陸して「作業を開始」することはなかった。代わりに、それはベンヌからわずか1.6〜2.1キロメートル離れた軌道を周回しました。探査機がこれほど小さく重力の小さい天体の周りを長期飛行することに成功したのも初めてのことだ。

サンプルカプセルはベンヌの表面で約250グラムの岩石と土壌のサンプルを収集した。

その後1年ほどかけて、冥王星探査機は軌道を細かく調整し、さまざまな高度で小惑星ベンヌの表面を隅々まで探査した。特別な検査が必要な地域では、探査機のフライバイ高度は250メートルまで低くなる。こうした綿密な調査のおかげで、地上の望遠鏡では小さな明るい点にしか見えないベンヌは、太陽系の中で人類が最もよく理解している小惑星の一つとなった。例えば、2018年末、探査機はベンヌの表面に水の痕跡を発見した。

事前の準備は十分に綿密に行われていたものの、サンプル採取作業が正式に始まる前に、科学者たちは再び難しい問題に直面した。科学者らは当初、着陸場所としてベンヌの表面にある直径約50メートルの平坦な場所を探す計画を立てていたが、ベンヌの表面は凹凸があり岩だらけであることが判明し、最終的な運用場所は直径わずか6メートルとなった。探査機がベンヌの表面に丸ごと着陸すると、大量の塵や破片を巻き上げ、電子機器のショートや機械の故障を引き起こす恐れがあるため、サンプル採取はできる限り迅速かつ効率的に行う必要がある。

新たな困難を克服するために、調査では新しい技術と解決策を適用しました。科学者たちは当初、探査機の着陸とサンプル採取の段階で、ナビゲーションと位置決めの主な手段としてレーザー測距を使用する計画を立てていた。計画変更後、科学者たちは光学画像、つまり自然の特徴追跡技術に基づいた代替ナビゲーションおよび位置決めソリューションを設計しました。簡単に言えば、着陸プロセス中、冥王星探査機は作業エリア付近のリアルタイム写真を継続的に撮影し、これらの写真を3次元地形および画像データベースと比較し、特徴的な石をランドマークとして照合し、リアルタイムの位置、速度、および計画されたサンプリング位置を継続的に更新しました。撮影した画像に危険な障害物が検出された場合、検出器は自律的に避難することもできます。

次に、冥王星探査機は先端が球形の関節式サンプラーアームを伸ばし、サンプラーヘッドを小惑星の表面に向かって可能な限り伸ばし、ゆっくりと下降する探査機の軌道の勢いを利用して小惑星の表面に優しく触れました。多関節アームが小惑星の表面に触れた瞬間、探査機は圧縮窒素を噴射し、小惑星の表面の塵や破片を吹き飛ばして、すぐにサンプラーに集めました。話は長くなるが、実際には、検出器の公式の動作時間はわずか10秒以内であり、これは「トンボが水面をすくう」のと表現でき、7年間続いたミッションの最も重要なステップを完了したことになる。

探査機がベンヌから離れる際、サンプル採取ヘッドが複数の異なる位置で動く画像が評価に使用され、採取されたサンプルはミッションに必要な60グラムを大幅に上回り、探査機は「満載」で帰還したと言えることが示された。

科学的成果が待たれる

冥王星探査機のサンプルカプセルは今年9月末に分離され、最終的には米国ソルトレークシティ郊外の砂漠に着陸すると予想されている。サンプルカプセルのスムーズな回収を確実にするため、科学者たちはここで数か月間リハーサルを行ってきた。サンプルカプセルが着陸すると、地球環境の汚染を防ぐためにすぐに回収され、その後ヘリコプターでヒューストンのジョンソン宇宙センターのクリーンルームに運ばれ、分類される。

スタッフがサンプル室の状態を確認

NASAが発表した計画によれば、これらのサンプルの25％は今後2年間で研究のために各国の約200人の科学者に送られる予定だ。残りの75%のサンプルは数十年にわたって保管される可能性があります。テクノロジーが進歩するにつれて、さまざまな素晴らしい新しいアイデアやテクノロジーが必ず生まれてくるでしょう。 NASAは各国の科学者から提案を求め、適切な場合には研究のためにサンプルを採取する予定だ。

では、小惑星ベンヌから採取されたサンプルは人類にどのような新たな結果をもたらすのでしょうか?探査機の名前を「分割」することで、その科学的目的に基づいた予測を立てたいと考えています。

「OSIRIS」の正式名称は「Source Spectral Interpretation Resource Security Weathering Layer Identification Explorer」であり、略称は「OSIRIS-Rex」です。具体的には、O は Origins (起源) を表します。科学者たちは、炭素を豊富に含む原始的な小惑星を採取して分析し、その鉱物や有機物の構成、分布、進化の歴史を研究したいと考えている。 SI はスペクトル解釈の略で、ベンヌの全体的な特性を説明し、地上の望遠鏡による他の小惑星の観測結果と比較することを目的としています。 RIは資源識別（Resource Identification）の略で、探査機が小惑星ベンヌの全球特性、化学および鉱物学の地図を描き、その地質学的進化の歴史を決定し、サンプル研究を支援することを意味します。 Sはセキュリティの略です。探査機は潜在的に危険な小惑星に対するヤルコフスキー効果（回転する小惑星からの熱放出によって生じる力で、軌道を徐々に変えることができる）を測定し、小惑星のどのような特性がこの効果を引き起こすのかを研究します。 REx は Regolith Explorer の略です。探査機は、採取エリアの表面物質の風化層の詳細な調査を実施し、その構造、形態、化学、スペクトル特性を記録します。

実際、冥王星探査機のミッションは一般の人々が想像するよりもはるかに複雑です。小惑星ベンヌから採取したサンプルを地球に送り返した後、探査機は「成功裏に退役」するのではなく、「新たな旅に出発する」ことになる。地球から「力を借りて」、重力の力を利用して加速し、小惑星アポフィスへノンストップで向かう予定で、同時に「アポフィス・エクスプローラー」と改名される予定だ。

アポフィスも潜在的に危険な小惑星だが、直径は約370メートルと小さい。 2029年には地球から約3万2000キロ離れると予想されており、その時点で探査機は地球近傍小惑星の運動特性を調べるために包括的な調査を行う予定だ。当然のことながら、探査機によるこのような複雑な軌道変更操作は、地上チームにとって貴重な訓練経験となります。 （著者：梁磊、画像提供：NASA、チェックポイント専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、江凡）