ただ海の音を聞くためだけに、17億ドルを費やし、何億キロも旅するのです。

木星は太陽系で最大の惑星です。理論的研究と観測の両方から、エウロパ、ガニメデ、カリストには地下に塩水の海がある可能性があることが示されています。塩分濃度の高い海は好塩性微生物の生存と進化に適しています。したがって、これらの衛星には地球外で生命が存在する可能性がある。これらの衛星の重要な特性をあらゆる面で把握し、生命の生存に適しているかどうかを確認するために、欧州宇宙機関（ESA）は長年を費やし、ついに木星氷衛星探査機（ジュース）の打ち上げに成功しました。ジュースは、これらの氷の衛星の地下海、地形、地質、表面化学物質、磁場、内部構造、重力場に関する詳細な情報を入手し、人類がこれらの氷の惑星について包括的かつ深く理解し、地球外生命体の存在の証拠を発見することに貢献します。

著者 |王山琴

2023年4月14日12時14分（UTC、北京時間20時14分）、欧州宇宙機関（ESA）の木星氷衛星探査機（ジュースまたはJUICE）が、アリアネ5大型ロケットでフランス領ギアナ宇宙センターから打ち上げられました。【動画をご覧になるには「ファンプ」へアクセスしてください】

ジュースを宇宙に運ぶアリアン5ロケット。画像出典:
ESA/CNES/アリアンスペース/オプティクビデオデュ CSG/JM ギヨン

16億ユーロの予算をかけたミッション「ジュース」は、木星系、特に木星の3大氷衛星であるエウロパ、ガニメデ、カリストを探査する。これらは、イオとともに、400年以上前にガリレオ・ガリレイ（1564-1642）とシモン・マリウス（1573-1625）によって独立に発見され、後世の人々によって「ガリレオ衛星」と名付けられました。 [注1]

木星とその4つのガリレオ衛星のパズル。上部の左から右に、イオ、エウロパ、ガニメデ、カリストです。下部には木星の一部があります。木星、イオ、エウロパ、ガニメデはガリレオ探査機によって撮影され、カリストはボイジャー探査機によって撮影されました。画像提供: NASA/JPL/DLR

ジュースの主な任務はガニメデの探査であり、続いてエウロパ、カリスト、木星、そしてついでにイオの探査も行う。ジュースは搭載しているさまざまな機器を通じて、これらの天体のさまざまな特性を深く探究します。この短い記事では、Juice の開発の歴史、使命、機器などについて紹介します。

木星系を探索するジュース（左上）の想像図。ガニメデは右下にあり、木星は中央にあります。残りは左から右にイオ、エウロパ、カリストです。画像提供: ESA / NASA / DLR

開発の歴史

Juice の起源は、NASA と ESA が外惑星フラッグシップミッションの開発で協力することを決定した 2008 年 2 月に遡ります。 2009 年 2 月、エウロパ・木星系ミッションラプラスが優先され、ミッションを終了したガリレオミッションの代わりとして使用され、木星の氷衛星の探査を継続します。

計画によれば、EJSM-LaplaceはNASAが管理する木星エウロパ探査機（JEO）とESAが管理する木星ガニメデ探査機（JGO）で構成される。 2機は2020年頃にそれぞれ独立して打ち上げられ、数年間の巡航の後、それぞれエウロパとガニメデの周回軌道に入り、詳細な調査を行う予定だ。

しかし、ESAが管理するJGOは優先打ち上げ権を得るために他の重要プロジェクトと競争しなければならないため[注2]、NASAは自らが担当するJEOのために別途緊急時対応計画を準備するなど、優柔不断な様子だった。さらに重要なのは、2 つの検出器にはあまり相互依存性がないことです。両者の協力関係は2011年4月に決裂し、両社はそれぞれ独自に検出器の開発を開始した。 ESA は JGO を「木星氷衛星探査機」に変更しましたが、その主な目的は依然としてガニメデの探査です。 NASA の JEO は 2015 年 6 月にエウロパクリッパープロジェクトに置き換えられました。

2012 年 4 月、Juice は他の 2 つのプロジェクトとの競争に勝利し、その後 ESA によって Cosmic Vision 2015-2025 プログラムの最初の大規模レベル (L レベル) プロジェクトとして認定されました。 [注3]

2014年、ESAはJuiceの設計と目的に関する詳細な調査を完了しました。 2015 年 7 月、エアバスディフェンスアンドスペースが Juice の設計と製造を担当する主力メーカーに選ばれ、以来、ヨーロッパ全土で Juice のさまざまなハードウェアと機器を製造してきました。過去数年にわたり、ジュースの部品と機器は組み立てられ、発射場へ移送される前にさまざまなテストに合格してきました。

アリアン5ロケットのロゴ。 2年前、ESAは世界中の子供たちからジュースのロゴデザインを募集しました。 10歳のヤリーナさんの作品が選ばれ、ロケットの上部に描かれました。画像クレジット: Manuel Pédoussaut/ESA

ジュースの使命

計画によれば、ジュースの主な任務はガニメデのさまざまな特徴を研究することであり、その後エウロパ、カリスト、木星、そしてイオと木星の他の衛星を研究することになる。タスクは以下のように分類できます。 [1]

1. ガニメデの地下海が存在するかどうかを判断する。もしそうなら、その特性を間接的に研究してください。平均半径2,634キロメートルのガニメデは太陽系最大の衛星です。その半径は水星の平均半径（2,440キロメートル）よりも大きい。天文学者たちは1970年代にガニメデには地下海があると推測した。ガリレオとハッブル宇宙望遠鏡（ハッブル）によるガニメデの観測は、ガニメデに地下海があるという推測をさらに裏付けました。ガニメデの水の総量は地球の水の総量の6～8倍と推定されており、深さは最大100キロメートルで、150キロメートルの氷の殻の下に埋もれている。 [23]

ハッブル宇宙望遠鏡によるガニメデのオーロラの紫外線疑似カラー画像が、ガリレオによるガニメデの画像と重ね合わされています。天文学者たちはオーロラの揺れる角度に基づいて、ガニメデには地下海があり、地下海によって生成される誘導磁場が木星の磁場によって引き起こされるガニメデのオーロラの揺れの影響を部分的に防いでいると推測した。画像提供: NASA/ESA

2. ガニメデの表面の地形、地質、表面物質の化学組成、氷層の物理的特性、および薄い大気の特性を研究します。

3. ガニメデの磁場と木星の磁場との相互作用。ガニメデの鉄ニッケル核によって生成される固有磁場（ガニメデは太陽系で固有磁場を持つ唯一の衛星）と、地下の塩水海によって生成される誘導磁場は、どちらもジュース氏の研究の重要な対象となるだろう。

4. エウロパの地下海を検出し、その特徴を特定する。ガリレオの磁力計による検出により、天文学者はエウロパには誘導磁場を生成する地下の塩水の海があると推測した。エウロパには地球全体の海水の3倍の水が存在すると推定されており、平均深度は100キロメートルに達する可能性がある。ハッブル宇宙望遠鏡が観測したエウロパの一部から噴出する水柱は、エウロパに地下海が存在する可能性をさらに裏付けた。

エウロパから噴出する水柱のこの合成画像は、2014 年 1 月 26 日にハッブル宇宙望遠鏡によって撮影されました。このエウロパの画像は、ガリレオ探査機とボイジャー探査機のデータを合成したものです。噴煙は高度160キロメートルで噴出した。この噴煙は、エウロパの下に水の海がある可能性を示唆している。画像提供：NASA、ESA、W. Sparks（STScI）、USGS天体地質学科学センター

5. エウロパの地形的特徴、地質学的特徴、表面化学物質、非水氷物質の化学組成を調査し、地質学的に最も活発な部分の氷層の最小厚さを決定します。

エウロパ上のコナマラカオス (左) とエウロパ上空での位置 (右)。いくつかのプロセスにより、既存の横切りの尾根が破壊されました。青色は水の氷を表し、赤茶色の部分は水の氷ではない氷を表します。これらの画像は、1996 年から 1997 年にかけてガリレオが取得したデータから合成されたものです。画像提供: NASA/JPL

6. カリストに本当に地下海があるかどうかを判断し、カリストの表面の地形と地質、およびさまざまな地域の表面物質の化学組成を地図に描き、カリストの氷層の物理的特性を調査します。カリストは形成以来いかなる地質学的活動も経験しておらず、隕石の衝突によって残された表面のクレーターはすべて保存されています。カリストの特定の地形を研究することは、太陽系の天体の形成の歴史を理解する上で非常に価値があります。

2001年にガリレオが撮影したカリスト。画像提供: NASA/JPL/DLR

7. 氷衛星の内部質量分布、ダイナミクス、進化の特性を研究し、氷衛星のさまざまな場所で重力場を測定します。

8. 木星の磁気圏を測定し、木星の磁場と氷の衛星の磁場の相互作用を研究し、木星の磁場によって加速された荷電粒子が氷の衛星の表面に与える影響を研究する。

9. イオと木星の不規則な形をした衛星を比較的遠い距離から観察します。

JUICE の中心的な任務の 1 つは、氷衛星に塩水の海が存在するかどうかを確認し、もし存在する場合はその特性を研究することです。塩分濃度の高い海は好塩性微生物の生存と進化に適しています。したがって、ジュースは人類による地球外生命体の探査において画期的な進歩を達成する可能性がある。

ジュース探査機が生命の証拠を見つけられなかったとしても、地下海の存在を確認し、その特性についてより具体的な情報を得ることができれば、それは重要な前進となるだろう。なぜなら、液体の水は天体の進化に関する重要な手がかりの一つとなるからだ。

エウロパの氷の地殻の下から氷の割れ目を通して噴出する水の噴煙を芸術的に表現したもの。水柱は地下海の内部から分子を運び出し、宇宙からの荷電粒子放射線が分子の一部を衝突させて分解します。海底で噴火する火山（左図参照）は海水に熱を与えます。画像提供: NASA/JPL-Caltech

ジュース器具

Juice には、分光計 3 台、地図作成およびリモートセンシング機器 2 台、粒子検出器 2 台、残りの 3 台はカメラ、磁力計、レーダーで、合計 10 台の科学機器が搭載されています。

3 つの分光計は、紫外線イメージング分光器 (UVS)、月と木星イメージング分光計 (MAJIS)、およびサブミリ波計測器 (SWI) です。観測/動作波長はそれぞれ55～210ナノメートル（紫外線）、0.4～5.7ミクロン（光学および赤外線）、約0.3mm/約0.6mmです。

UVS は、氷衛星の大気圏外気圏、木星の上層大気、木星とその氷衛星のオーロラを研究し、エウロパの表面から噴出する水柱を探します。 MAJIS は、木星の大気圏の雲の特徴と微量ガスを観測し、木星の氷衛星の複雑な表面氷と鉱物組成を特定して研究し、その表面の有機分子を探して生命に適しているかどうかを判断します。 [4]SWIは木星の成層圏と対流圏、そして氷衛星の大気圏と表面を研究しています。木星を観測する場合、MAJIS と UVS の解像度はそれぞれ 100 km と 250 km です。ガニメデを観測する場合、MAJIS と UVS の解像度はそれぞれ最大 75 メートルと 500 メートルに達します。 [4]

エウロパの表面から噴出する水柱の想像図。画像提供: ロン・ミラー

2 つの地図作成およびリモートセンシング機器は、ガニメデレーザー高度計 (GALA) と木星およびガリレオ衛星の重力および地球物理学 (3GM) です。前者の主な機能は、レーザー測距により 10 cm の垂直解像度で 3 次元地形をマッピングすることです。後者の主な機能は、各地の重力場を測定し、氷衛星の地下海の構造を解明し、氷衛星の大気と電離層の構造を解明することです。 [4]

2 つの粒子検出器は、粒子環境パッケージ (PEP) と電波およびプラズマ波調査 (RPWI) です。中性粒子、荷電粒子、およびそれらが放出する電波を直接検出するために使用されます。

カメラは「Jovis, the Amorum ac Natorum Undique Scrutator, JANUS」（ジョヴィス、ザ・アモルム・アク・ナトルム・アンディーク・スクリュテーター、JANUS）[注 4]。観測波長範囲は0.36～1.1ミクロンで、3次元画像撮影機能を有します。最大解像度2.4メートルで、主にガニメデとカリストの表面を撮影します。 [4]

この磁力計は「ジュース磁力計」（J-MAG）と呼ばれています。氷衛星の磁場を検出できるため、ガニメデとカリストに地下海があるという推論を確認または否定することができます。さらに、エウロパとガニメデの磁場と木星の磁場の相互作用も検出できます。

このレーダーは、氷衛星探査レーダー（RIME）です。長さ16メートルのアンテナから約33メートルの波長のレーダー波が発射され、氷面下9キロメートルまで到達し、反射してアンテナで受信される。貫通と反射により、氷衛星の表面下9キロメートル以内の氷層構造を、最大30メートルの垂直解像度で取得できます。 [4]

RIME は、NASA のジェット推進研究所 (JPL) とイタリア宇宙機関 (ASI) によって開発され、JPL がレーダーの送信機、受信機、電子機器を提供しました。画像提供: NASA/JPL-Caltech

上記の 10 個の機器に加えて、Juice のアンテナは特定の信号を送信することもできます。地球上の超長基線電波干渉計（VLBI）はこれらの信号を受信し、木星とその氷の衛星の重力場を正確に測定します。これは惑星電波干渉計およびドップラー実験 (PRIDE) です。

Juice の 10 個の機器の位置分布マップ。黒い四角はバッテリーパネルを表します。画像提供: ESA

高度な技術の使用により、10 個の機器は総重量がわずか 104 kg と非常に軽量です。 [3]

Juice は太陽光パネルを使用して電気を生成し、機器に電力を供給します。その動作電力は 820 ワットに達します。木星の軌道付近では、太陽の放射強度は地球付近の約 4% にすぎません。十分な電力を得るためには、バッテリーの性能が非常に優れている必要があるだけでなく、バッテリーパネルの面積も非常に大きくする必要があり、その面積は約 85 平方メートルです。 [5]

計器やバッテリーに加えて、もう一つの重要なコンポーネントはナビゲーション機器です。あらかじめ決められたルートに沿ってプローブを正確に誘導します。

実行パス

ロケット燃料を節約し、速度を上げるために、ジュースは、これまで広く使用されてきた重力スリングショット（重力アシスト）技術を使用して、惑星の巨大な重力を利用して速度を上げます。計画によれば、2024年8月に地球・月系を通過し、2025年8月31日に金星を通過し、2026年9月29日と2029年1月18日に地球を1回目と2回目に通過する予定である。[4]

これらのフライバイの後、ジュースは木星に向かうのに十分な速度を獲得します。途中で、2029年10月15日に小惑星223 Rosaの近くを通過する可能性があり[4]、小惑星を間近に探査する予定です。

ジュースの軌道の模式図。図の下の直線上のタイムノードは、左から右に、打ち上げ、地球-月系のフライバイ、金星のフライバイ、地球の最初のフライバイ、地球の 2 回目のフライバイ、木星への到着、木星系の探査と 35 回のフライバイの完了、ガニメデの周回軌道です。画像提供: ESA

計画によれば、ジュースは8年間の巡航の後、2031年7月に木星系に進入し始め、操作と木星の衛星の重力によるスリングショット効果によって軌道を変え、木星の周りの軌道に入る予定だ。約3年半の軌道探査を経て、2034年12月に木星の軌道を離れ、ガニメデに向かう予定。

これらのフライバイを完了した後、ジュースはガニメデの周回軌道に入り始め、ガニメデ・オービターとなりました。これにより、月以外の自然衛星を周回する初の探査機となる。

このガニメデの画像は、2021 年 6 月 7 日にジュノー宇宙船によって撮影されました。画像出典:
NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS

ジュースが初めてガニメデを周回したとき、その軌道の平均半径は非常に大きかった（5,000 km）。数回の軌道変更の後、その軌道は円形になり、ガニメデの表面からの高度はわずか 500 km になりました。

ジュースは木星系に突入してからガニメデを低高度で周回するまでの全過程でエウロパ、ガニメデ、カリストを合計35回通過し[5]、これら3つの氷衛星の近距離探査を行った。木星に突入して重力スリングショットを達成する前に数回のフライバイを行うなど、ジュースはフライバイを完了するために約40回の操縦を行う必要がある。これらの操作には大量の推進剤が消費されるため、ジュースは約 3,000 キログラムの推進剤を搭載します。 [6]

ジュースは、500キロメートルの軌道でガニメデを周回しながら約1年間（少なくとも9か月）を過ごす予定です。 [7] その時までにまだ燃料が残っていれば、軌道を変更し続け、軌道高度を200kmまで下げることになる。燃料が尽きた後、ジュースは2035年後半にガニメデに衝突します。この接近した軌道と最終衝突前の接近により、ジュースは前例のない解像度でガニメデを観測することができます。

天文学者によって提案されたガニメデの構造モデル。理論的な推論によれば、ガニメデは鉄を豊富に含む固体核、鉄と硫化物を豊富に含む液体核、岩石マントル、深層氷（過度の圧力によりタイプ VI 正方氷になる）、液体の海、および外層の氷（通常のタイプ Ih 六方氷）で構成されています。カリストの表面は、クレーター、溝、明るい地形、暗い地形で覆われています。画像出典: ケルビンソン

木星の氷衛星を検出するための技術の組み合わせ

すべてがうまくいけば、ジュースはガニメデの特性のさまざまな側面、そしてエウロパ、カリスト、木星の特性のいくつかに対する人類の理解を大きく深めることになるだろう。最も楽観的なケースでは、木星の氷の衛星に生命が存在する証拠が得られる可能性もある。

2024年に打ち上げられるエウロパ・クリッパーは、2030年に木星系に到着する予定です（ジュースより1年早い）。複数回の接近飛行を通じてエウロパを詳細に観測し（エウロパの軌道では木星の磁場が強すぎるため周回モードは実施しない）、後から到着するジュースと協力し、お互いに経験を共有し、データを比較する。

また、現在計画中の我が国の「天問4号」プロジェクトも、木星とその氷衛星を主な探査対象としています。承認されれば、2029年に打ち上げが可能になる。主探査機は2035年に木星に到達し、カリストの周回軌道に乗ってカリストに関するさまざまな詳細情報を取得する予定だ。

ジュース、エウロパ・クリッパー、天問4号がいずれも目標を達成できれば、木星の氷衛星のさまざまな特性に対する人類の理解が総合的に深まることになるだろう。

皆様の大きな成功をお祈りいたします。

注記

[注1] ガリレオ衛星は木星の4つの最大の衛星です。ガリレオはマリウスよりも早く木星の4つの衛星の観測結果を発表したため、それらは「ガリレオ衛星」と呼ばれました。学者の習沢宗は1981年の論文で、中国の戦国時代の有名な天文学者甘徳が2000年以上前にガニメデを観測した可能性があると指摘した（「木星は紫にあり、その横に小さな赤い星が付いている場合は同盟と呼ばれる」）。しかし、文献ではガンダーが発見した星は赤い星（「小さな赤い星」）と説明されており、そのような暗い星は色で区別できないため不可解である。したがって、この疑わしい発見はまだ認識されていません。

[注 2] これは惑星探査機にとって極めて重要です。なぜなら、そのような探査機には一定の時間枠があり、それを逃すと何年も待たなければならないからです。

[注3] コズミックビジョン2015-2025プログラムは、ESAの大規模な宇宙プロジェクト群であり、探査機は小型（S）、中型（M）、大型（L）の3つのレベルに分かれています。 L レベルのプロジェクトは 3 つだけであり、Juice は最初のプロジェクト (L1) です。

[注4] 木星の英語名はJupiterで、ローマ神話の神であり、ギリシャ神話のゼウスである。マリウスは、ギリシャ神話のゼウスの恋人たちにちなんで、木星の衛星にイオ、エウロパ、ガニメデ、カリストという名前を付けました。

参考文献

[1]https://sci.esa.int/web/juice/-/50068-science-objectives

[2]https://www.nasa.gov/press/2015/march/nasa-s-hubble-observations-suggest-underground-ocean-on-jupiters-largest-moon

[3]https://www.planetary.org/space-missions/juice

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Jupiter_Icy_Moons_Explorer

[5]https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice

[6]https://sci.esa.int/web/juice/-/61498-juice-inner-structure

[7]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01256-x

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています