パイオニア10号：惑星の旅

パイオニア10号は木星の接近探査に成功した最初の探査機であり、また外惑星（木星、土星、天王星、海王星）の接近探査に成功した最初の探査機でもありました。この成功により、その後の太陽系外惑星探査のための貴重な経験が蓄積されました。人類が太陽系外惑星探査の時代へ突入する出発点は、まさに「パイオニア」の名にふさわしいパイオニア10号でした。その成功により、太陽系外惑星探査の砂漠に初のオアシスが誕生した。

著者 |王山琴

人工衛星の打ち上げ後、人類は太陽系の惑星を近距離から探査するために無人探査機を打ち上げ始めました。これらの惑星のうち、「外惑星」（木星、土星、天王星、海王星）の探査は、次のような理由でより困難です。第一に、「内惑星」よりも遠くにあるため、より強力なロケットとより高度な軌道制御技術が必要です。第二に、観測機器は遠くにあるため、近くの太陽光の放射が弱くなり、機器に電力を供給するために太陽電池以外のエネルギー源が必要になります。

人類はこれらの困難のために後退したわけではない。科学者と技術者の共同の努力により、人類はついに一連の探査機の打ち上げに成功し、4つの外惑星を近距離で探知するという偉業を達成しました。これにより、外惑星に対する人類の理解は飛躍的に向上しました。パイオニア10号は、この一連の探査機の最初のものであり、成功した最初の探査機であった。

パイオニア10号と木星の想像図。画像クレジット: リック・ガイディス

由来: 200年に一度のチャンス

1964年、アメリカ航空宇宙局（NASA）ジェット推進研究所（JPL）の航空宇宙エンジニアであったゲイリー・フランドロ（1934年 - ）は、1970年代後半には木星、土星、天王星、海王星が同じ側にあり、ほぼ一直線上に並んでいたことを指摘しました。もし探査機を数年前にその方向に打ち上げることができれば、1980年頃にこれら4つの巨大惑星を次々に通過し、フライバイによって近距離で検出できるだろう。

この計画により、探査機は4つの外惑星を順番に通過できるだけでなく、各惑星の重力加速効果により、通過するたびに探査機の速度が上昇し、大量の燃料を節約し、飛行時間をほぼ半分に短縮できます。

これは175年に一度しか起こらないので、この機会は非常に貴重です。この目的のために、NASAは外惑星を探査するプログラムを立ち上げました。専門家らは協議の結果、当初は4機の探査機を打ち上げる計画を立て、そのうち2機は木星、土星、冥王星を探査し、残りの2機は木星、天王星、海王星を探査する予定だった。これは有名な「惑星グランドツアー」プロジェクトです。 【注1】当時、冥王星はまだ「9つの惑星」の一つであったため、「惑星巡り」計画の中心的な観測対象の一つにも選ばれました。

「グランドツアー」プロジェクトに貴重な経験を提供するために、NASA のエイムズ研究センター (ARC) は 1964 年に「銀河系木星探査機」プロジェクトを提案しました。このプロジェクトでは、2 つの同一の探査機を打ち上げ、小惑星帯を通過して木星を探査します。 2 つの検出器のうち 1 つは、もう 1 つの検出器のバックアップとして機能します。つまり、1 つが故障した場合は、もう 1 つが 1 つの検出器の役割を引き継ぎます。

1969年2月、NASAはこのプロジェクトを承認した。このプロジェクトの2機の探査機は、打ち上げ直前にパイオニア10号とパイオニア11号と名付けられました。これらに「No. 10」から始まる番号が付けられているのは、NASA が 1958 年以降にパイオニア探査機を複数打ち上げており、0、1、2、3、4、P-1、P-3、5、P-30、P-31、6 (A)、7 (B)、8 (C)、9 (D)、E と番号が付けられているためです。これらの探査機は、月を探査し、太陽の特性を研究するために使用されました。いくつかは成功し、いくつかは失敗しました。

パイオニア 10 号とパイオニア 11 号は、当初 F と G と番号が付けられていました。これらは、外惑星を探査するパイオニア シリーズの最初と 2 番目の探査機でした。すべてのパイオニア探査機は ARC パイオニア チームによって運用されます。

パイオニア 6-13 がどのような外観になるかを描いたアーティストの想像図。一番左にあるのはパイオニア6号、7号、8号、9号、左から2番目はパイオニア10号と11号、そして左から3番目と一番右にあるのは金星を探査したパイオニア12号とパイオニア13号です。画像提供: NASA
構造と機器

パイオニア10号は無人宇宙船でした。電源、推進および姿勢制御システム、科学機器、アンテナなどの重要なコンポーネントを備えています。

太陽系外縁部の太陽エネルギー不足問題を解決するために、パイオニア10号には圧縮されたプルトニウム238酸化物球を使用した放射性同位体熱電発電機（RTG）が4台設置されており、この電源はプルトニウム核電池とも呼ばれています。これらは 2 つの 3 バー トラス上に 120 度の角度で配置されており、プローブの機器から 2 本の触手が伸びているような距離になっています。最初に打ち上げられたとき、RTG によって発生した熱は約 155 ワットの電力を生み出すことができます。放射性物質の崩壊により、RTG の電力は低下し続けますが、木星に飛行するときの出力は依然として 140 ワットであり、探査機の通常の動作には 100 ワットの電力しか必要ありません。

パイオニア 10 号と 11 号の 4 つの RTG のうち 2 つは、拡張トラス上に配置されました。画像出典:
https://history.nasa.gov/SP-349/ch3.htm

パイオニア10号には、速度の変更、姿勢の制御、回転速度の調整のために、3組に配置された6つのMR-103ヒドラジンスラスタが搭載されていました。スラスタ内の36kgの推進剤は、直径42cmの球形の箱に収められています。

パイオニア 10 号に搭載されている機器には、ヘリウム ベクトル磁力計 (HVM)、四球プラズマ分析装置、荷電粒子計測装置 (CPI)、宇宙線望遠鏡 (CRT)、ガイガー管望遠鏡 (GTT)、捕捉放射線検出器 (TRD)、流星体検出器、小惑星/流星体検出器 (AMD)、紫外線光度計、画像偏光計 (IPP)、赤外線放射計などがあります。

図: パイオニア 10 (パイオニア 11 とも呼ばれる) の構造図。メインアンテナ（高利得アンテナ）の中央にあるマークのないアンテナは、中利得アンテナです。画像クレジット: NASA、Mysid によるベクター;翻訳：王山琴

パイオニア10の無線通信システムは、直径2.7メートルのパラボラ高利得アンテナと中利得アンテナで構成されていました。このアンテナは、地球上のディープ スペース ネットワーク (DSN) ステーションから送信される信号指示を受信し、取得したデータを DSN に送信するために使用されます。

機器の名前から、それらのほとんどは宇宙線、さまざまな荷電粒子、プラズマ、磁場、流星、小惑星を検出するために使用されることがわかります。残りの機器は紫外線、可視光線、赤外線で画像を撮影します。

パイオニア 10 号の画像偏光計は、口径がわずか 2.54 cm (1 インチ) の小型望遠鏡と 2 つの検出器で構成されています。 2 つの検出器はそれぞれ赤と青のフィルターと一致しています。光は望遠鏡に入った後、フィルターを通過し、検出器上に画像を形成します。 2 つの検出器からの画像を組み合わせることで、ターゲットのほぼ実際の色を合成することができます。

すべての機器と部品を取り付けた後、パイオニア10号の長さ（中利得アンテナから宇宙船の尾部まで）は2.9メートル、最大直径（つまり高利得アンテナの直径）は2.7メートルでした。打ち上げ前のパイオニア10号の質量は258kgでした。

パイオニア10号が完成間近。画像提供: NASAエイムズ研究センター

パイオニア10号の打ち上げ

1972年3月3日（UTC）、パイオニア10号がアトラス・セントールロケットで打ち上げられました。このロケットはパイオニア10号用にカスタマイズされており、巨大な推力の第3段固体燃料エンジンを搭載しており、探査機を秒速14.4キロメートルまで加速することができる。これはパイオニア10号が木星まで飛行するための重要な保証の1つである。

パイオニア10号はアトラス・セントールロケットで打ち上げられた。画像提供: NASAエイムズ研究センター (NASA-ARC)

パイオニア10号は、その驚異的なスピードのおかげで、惑星間空間（惑星間の空間は惑星間空間、恒星間の空間は星間空間と呼ばれますが、この2つは同じではないので混同しないでください）に入るのにわずか19分しかかかりませんでした。 11時間後、パイオニア10号は月を通過し、これまでで最速の人工物となった。

また、ロケットの発射後、パイオニア10号は高利得アンテナの対称軸を中心に毎分60回転の速度で回転した。 3 つのトラス (3 つ目のトラスにはヘリウム ベクトル磁力計が収納されている) が伸びると、回転速度は毎分 4.8 回転に低下し、この速度で回転を続けます。回転の目的の 1 つは安定性を制御することであり、もう 1 つの目的は、プローブがターゲット領域の近くで望遠鏡または検出器の方向を変更して、より広い範囲で画像化または測定を実行できるようにすることです。

打ち上げ後10日以内に、パイオニア10号の機器が次々と起動されました。パイオニア10号は、惑星間空間を旅する中で、惑星間ヘリウム原子を検出した最初の探査機となり、また太陽風からの高エネルギーのアルミニウムイオンとナトリウムイオンも検出した。

パイオニア10号の想像図。画像提供：NASA/ドン・デイビス

打ち上げからわずか12週間後、パイオニア10号は火星の軌道を通過し、火星と木星の軌道の間にある小惑星帯に向かいました。ここには多数の小惑星が分布しているため、この名前が付けられました。

1972年7月15日、パイオニア10号が小惑星帯に入り、小惑星帯に入った最初の宇宙船となった。

1972 年 8 月 7 日、パイオニア 10 号は、太陽から 2.2 天文単位 (3 億 3000 万キロメートル) の距離で発生した激しい太陽風バーストによる衝撃波を検出し、太陽物理学の研究に重要なデータを提供しました。

パイオニア10号は小惑星帯を通過する際に大きな塵の粒子に衝突しなかったことから、小惑星帯の内部は非常に空っぽであることがわかった。この間、パイオニア10号は小惑星帯内のさまざまな大きさの塵粒子の密度を正確に測定し、太陽の光が惑星間空間の塵粒子によって散乱された後に形成される光（「黄道光」）の強度を測定しました。

1973年2月15日、パイオニア10号は約4億3500万キロメートルを飛行し、小惑星帯を無事通過して木星に向かった。

パイオニア10号による木星系フライバイ

1973年11月6日、パイオニア10号は木星から2500万キロ離れたところにありました。パイオニアチームは画像システムのテストを開始するよう命令を出し、その後木星の画像を取得することに成功した。木星に近づくと、三日月形の木星を多数捉えました。木星の影に入る直前に、「三日月」がどんどん細くなっていくのがわかりました。

パイオニア10号が木星に接近中に撮影された複数の画像には、月の満ち欠けの明確な変化が写っている。画像提供: NASA

1973年11月26日、パイオニア10号が検出した太陽風粒子の数は急激に減少し、温度は約100倍に上昇し、木星の磁気圏の端に到達し、木星の磁気圏に進入し始めたことを意味しました。木星の磁場の端では、太陽風が磁気圏に衝突し、弓状衝撃波を形成します。磁気圏が太陽風を遮ると、太陽風の速度は大幅に低下します。この日、パイオニアチームはパイオニア10号が撮影した木星の画像12枚を受け取りました。翌日、パイオニア10号は木星磁気圏界面を通過しました。

1973年11月29日、パイオニア10号は木星の外側の衛星すべての軌道を通過しました。 12月1日から、木星に十分接近したパイオニア10号は、当時地球上の望遠鏡で撮影できた木星の最高画像を上回る品質の木星の写真を撮影した。

1973 年 12 月 3 日、パイオニア 10 号が木星系のフライバイを開始しました。同日12時26分、13時56分、19時26分、22時56分にそれぞれカリスト（139万2300キロ）、ガニメデ（44万6250キロ）、エウロパ（32万1000キロ）、イオ（35万7000キロ）上空を通過した。

パイオニア 10 号の 1973 年 12 月 2 日から 6 日までの軌道と、1973 年 12 月 4 日の木星系フライバイ中の木星とその 4 つの衛星の位置。画像出典: Tomruen;翻訳：王山琴

パイオニア10号が撮影したガニメデの画像では、ガニメデの中心部と南極付近のアルベドが低く、北極では明るいことが示された。

1973 年 12 月 3 日にパイオニア 10 号が撮影したガニメデ。画像提供: NASA

パイオニア10号はエウロパから遠すぎたため、エウロパを撮影した画像から十分な詳細を抽出することができませんでした。しかし、得られた画像では、エウロパは全体的にアルベドが比較的高く、比較的広い暗い領域があることが依然として示されています。これらの特徴は後に他の検出器によってさらに確認されました。

このエウロパの画像は、1973 年 12 月 3 日にパイオニア 10 号によって撮影されました。画像提供: NASA

1973年12月4日午前2時26分、パイオニア10号は木星の雲頂から132,252キロメートル離れた近地点（木星の周りの物体の軌道上で木星に最も近づく地点）に到達しました。このときの速度は秒速35キロメートルです。 10分後、パイオニア10号は木星の赤道面を通過した。約78分後、探査機は電波遮蔽実験を行うために（当時の地球の視線に対して）木星の後ろを通過した。

パイオニア10号のフライバイ中に撮影された木星。画像内の黒い点はイオの影です。画像提供: NASA

パイオニア10号は木星に接近した際、予想の約10倍の強さの木星からの放射線にさらされた。強力な放射線はパイオニア10号のいくつかの機器に深刻な干渉を与え、一時的に次々と故障を引き起こし、多数のコマンドエラーを引き起こしました。幸運なことに、システムが完全に廃棄される数分前に放射線の強度が突然低下し、パイオニアチームは緊急コマンドを通じて誤った指示のほとんどを修正しました。

その後、パイオニアチームは放射線の急激な減少の原因を分析し、木星の磁場が赤道を囲んで振動するトロイダル磁場であるためだと突き止めた。このため、ある時点で木星の磁場がパイオニア10号を覆わなくなり、パイオニア10号は死を免れた。

木星の強力な放射線がパイオニア10号に干渉したにもかかわらず、11個の機器のうち6個は正常に機能し続け、画像システムは木星とその衛星のいくつかの画像約500枚を地球に送信しました。これらの画像の最高解像度は、ピクセルあたり 320 キロメートルに達します。

1974年1月1日、パイオニア10号は木星系の探査ミッションを完了し、恒星間ミッションを開始しました。 [注2] 1997年3月31日、パイオニア10号は全てのミッションを完了した。

パイオニア10号はかつて太陽から最も遠い人工物でした。 1998年2月17日、ボイジャー1号はパイオニア10号を追い越したが、その時点で両機は地球から約69.419AU（104億1000万km）の距離にあった。それ以来、パイオニア10号は太陽から2番目に遠い人工物となった。 2023年4月には、ボイジャー2号がパイオニア10号を追い越し、太陽から3番目に遠い人工物となる。

衛星が最後にデータを受信したのは2002年4月27日で、そのとき衛星は地球から80.22天文単位離れたところにあった。地上から最後に微弱な信号が受信されたのは 2003 年 1 月 23 日でした。2003 年 2 月 7 日には、地上は通信できなくなりました。

エイリアン用金属板

Pioneer 10 の上には、重要な情報が記された金メッキのアルミニウム銘板があります。人類が探査機に情報標識を設置し、宇宙人に地球のことを知らせるのはこれが初めてだ。パイオニア11号、ボイジャー1号、ボイジャー2号はいずれも同様の方式を採用しており、パイオニア11号の標識はパイオニア10号の標識と全く同じである。[注 3]

パイオニア10のプレートの重さは約120グラム、幅、高さ、厚さはそれぞれ22.86センチ、15.24センチ、1.27ミリです。

パイオニア10号に搭載された銘板。画像提供：NASA

看板の左上には水素原子の超微細構造遷移の図が描かれています。水素原子内の電子のスピン方向が変化すると、放出される光子の周期は0.704ナノ秒[注 4]となり、1ナノ秒は10億分の1秒に相当します。この情報により、エイリアンは人間が時間を計測する方法の 1 つを理解できるようになるかもしれません。 2 つの水素原子間の線の中間点には、2 進数の 1 を表す非常に短い垂直線があります。

標識の左側の線の中心は太陽系を表しています。この中心点から右に伸びる最長の線は、太陽と天の川の中心との相対的な距離を表します。中心から広がる他の 14 本の線は、地球と 14 個のパルサーの相対的な距離を表しています。これら 14 行は 2 進数で構成され、対応するパルサーの回転周期を表します。エイリアンは周期を通して対応するパルサーを見つけることができ、それによって太陽系の位置を決定することができます。

標識の上の人物は地球上の成人男性と成人女性の輪郭を表しています。男性が右手を上げると友好を表します。女性の頭と足の間の平行線の間の記号は二進数の 8 を表し、女性の身長が約 8 フィート (168 cm) であることを示しています。肖像画の一部にパイオニア 10 号の輪郭が重なっており、人物の大きさに厳密に比例しています。

看板の下部には太陽系があり、左から右に、太陽、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星が描かれています。この曲線はパイオニア10号の飛行経路を表しています。地球から出発し、木星を通過して太陽系を離れます。惑星の上または下の記号は、太陽からの相対距離を 2 進数で表し、単位は水星の軌道の平均半径の 0.1 倍です。

パイオニア10号に取り付けられた銘板。画像提供：NASA/HQ

パイオニア 10 号は現在、恒星アルデバラン (アルファタウリ) に向かっています。アルデバランは、太陽系から約65光年（1光年は約10兆キロメートル）離れた赤色巨星で、パイオニア10号がそこに到達するには200万年以上かかる。

2019年に、ある人物[注5]がガイア衛星によって得られた星の位置、速度、方向に関するデータを使用して、より「楽観的な」結果を推測しました。約9万年後、パイオニア10号は矮星HIP 117795の近くを通過し、その距離は0.75光年になります。これは、今後数百万年以内に太陽が遭遇する最も近い恒星です。しかし、0.75光年は地球と太陽の間の距離（1億5000万キロメートル）の約5万倍です。エイリアンが住む惑星が、その親星からそれほど遠く離れているということはあり得ません。したがって、パイオニア 10 号がエイリアン (存在する場合) に迎撃されるまでには、さらに長い時間がかかることになります。

月がアルデバランを隠します。画像クレジット: Christina Irakleous

実りある成果と大きな意義

パイオニア10号は、多くの「初めて」を打ち立てました。外惑星を探査した最初の探査機であり、小惑星帯を横断した最初の探査機であり、木星系を近距離で探査した最初の探査機であり、第3宇宙速度に到達して太陽系を離れた最初の人工天体であり、原子力電池を使用した最初の探査機であり、重力支援による加速と軌道変更を実現した最初の外惑星探査機であったなどです。

木星探査は、木星を至近距離で観測するという人類の夢を実現し、実りある成果をあげました。観測開始から観測終了までの約60日間で、パイオニアチームは合計約1万6000回の指示を出し、パイオニア10号がさまざまな観測タスクを実行できるようにしました。この期間中、木星の磁気圏の衝撃波を17回横断し、木星とその衛星の画像を約500枚撮影し、木星の磁気圏、放射線帯、磁場、大気、重力場などのさまざまな特性を測定または観測し、木星系に対する人類の理解を大きく深め、木星研究のさまざまな側面に先例を開きました。

パイオニア10号の成功は、パイオニア11号（木星と土星の探査）、ボイジャー1号（木星と土星の探査）、ボイジャー2号（木星、土星、天王星、海王星の探査）、ガリレオ（木星の探査）、ジュノー（木星の探査）、カッシーニ・ホイヘンス（土星とタイタンの探査）、ニューホライズンズ（冥王星の探査）などの探査機にとって貴重な経験を蓄積し、それらの先駆けとなった。

パイオニア10号の貢献を記念して、アメリカ合衆国郵政公社は1975年2月10日にパイオニア10号をテーマにした記念切手を発行しました。

1975 年に発行されたパイオニア 10 切手。画像提供: 米国郵便局。グウィルヒッカーズによる切手の高解像度スキャン

パイオニア10号は、外惑星探査の砂漠に初のオアシスを創造し、外惑星の人類探査の時代を切り開きました。それ以来、他の太陽系外惑星探査が成功するにつれて、さらに多くのオアシスが出現した。

注記

[注1] 英語のGrand Tourの本来の意味は、ヨーロッパ人やイギリス人がヨーロッパ大陸全体を巡る旅行を指し、中国語の「Grand Tour」に該当する。

[注2] パイオニアチームは、小惑星軌道を通過する時点ですでに、木星の強い重力によって生じる「重力スリングショット」効果を利用して、木星系を通過する際に加速して軌道を変え、太陽系から遠ざかることができるような経路を選んでいた。パイオニア10号は木星を通過した際にこの計画を実現し、重力加速による軌道変更計画を実行した初の太陽系外惑星探査機となった。

[注3] パイオニア10号と11号に金属製の銘板を設置するというアイデアは、エリック・バージェス（1920-2005）によって最初に提案されました。彼は、将来、高度な知的生命体（宇宙人）が宇宙を飛び回る探査機を迎撃し、その兆候から太陽系内に地球と同種の知的生命体が生息していることを知り、地球や人類に関する情報を知るのではないかと期待している。ボッグスはこのアイデアをカール・セーガン（1934-1996）に伝えた。セーガンはこのアイデアに非常に興味を持ち、この計画を実行するためにNASAに正式に申請しました。 NASAはそのアイデアを承認した。サガンはフランク・ドレイク（1930-2022）と共同でこのブランドをデザインした。看板のイラストは、サガンの当時の妻、リンダ・ザルツマン・サガン（1940年 - ）によって描かれた。

[注4] この遷移によって発生する電磁波の波長は21.106cm、周波数は1420.405MHzであり、周期は0.704ナノ秒に相当する。

[注5] Bailer-Jones, Coryn AL & Farnocchia, Davide, Future Stellar Flybys of the Voyager and Pioneer Spacecraft、アメリカ天文学会研究ノート、2019年、3、59。この論文の拡張版は、arXiv:1912.03503（で入手可能です。
https://arxiv.org/abs/1912.03503)

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

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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