カール・セーガン、1986年：「ボイジャーは、半分ロボット、半分人間という新しい種類の知的生命体になった」

伝説の天文学者カール・セーガンが夜も眠れぬほど心配していたことの一つは、宇宙人が私たちのことを理解できるかどうかだった。1970年代半ば、セーガンはNASAが組織した委員会を率いて、地球を表現する画像、録音された挨拶、音楽を集めた。そのモンタージュは金色のアルバムにプレスされ、ボイジャー1号と2号の背中に載せられて宇宙の彼方へと送られた。

1986年にポピュラーサイエンス誌に寄稿した記事の中で、セーガンは「仮説上のエイリアンは私たちとは大きく異なり、別の世界で独自に進化した存在であるはずだ」と述べ、つまり彼らは金色の円盤を解読できない可能性が高いと示唆した。しかしセーガンは、ボイジャーのメッセージの過小評価されている側面、つまり宇宙船自体の設計から確信を得た。

「我々は道具を作る者である」とセーガンは書いている。「これは人間であることの基本的な側面であり、おそらく本質である」。地球人が道具を作る者であるということを異星文明に伝えるには、リビングルームほどの大きさのアルミフレームの探査機を天の川銀河の向こう側に送るよりも良い方法があるだろうか。

どちらの宇宙船も木星と土星のそばを通るように設計されていたが、ボイジャー 2 号の軌道は天王星と海王星も通過した。途中で何度もトラブルがあったにもかかわらず、また NASA のエンジニアたちの優れた工具製作技術のおかげで、探査機はこれらの遠い惑星のクローズアップ画像を送信できるほど良好な状態だった。2012 年、ボイジャー 1 号は初の恒星間探査機となり、その後すぐにボイジャー 2 号が続いた。「太陽系を抜けると、宇宙船の表面は 10 億年以上もそのままの状態を保つだろう」とセーガンは記しているほど、宇宙船の設計は堅牢である。

現在、探査機は地球から 120 億～ 150 億マイル離れた場所におり、最近通信障害が発生しているにもかかわらず、まだ動作可能であり、比較的穏やかな星間空間を航行しています。探査機は、プルトニウム電池が切れるまで、あと 1 年ほどは地球にデータを送信し続けると予想されています。

無線信号は消えることはなく、時空を越えて移動するにつれて弱まるだけだと提唱したのは、20世紀初頭の無線通信発明家グリエルモ・マルコーニだった。ボイジャー宇宙船からの通信が途絶えたあとも、NASAの熟練した機械製作者たちが約半世紀前に動かした地球最初の使者の小さな声は、永遠に宇宙を漂い続け、十分に感度の高い受信機を備えた遠く離れた文明に届くかもしれない。

「ボイジャーの勝利」（カール・セーガン、1986年10月）

著名な科学者が、ボイジャー号のエンジニアたちの驚くべき偉業についてのあまり知られていない物語を語ります。彼らは、技術的な困難を何度も克服し、太陽系外への歴史的な探検の成功を確実なものにした献身的なチームです。

カール・セーガンはコーネル大学惑星研究所所長であり、1970 年以来ボイジャー画像科学チームのメンバーです。彼の「コスモス: 特別版」は今秋テレビ放映されます。

1986 年 1 月 25 日、ボイジャー 2 号ロボット探査機が天王星系に入り、次々と驚異の現象を報告しました。この遭遇はわずか数時間しか続きませんでしたが、地球に忠実に中継されたデータは、アクアマリン色の惑星、その 15 を超える衛星、その真っ黒な環、閉じ込められた高エネルギー荷電粒子の帯に関する私たちの知識を一変させました。ボイジャー 2 号とその仲間のボイジャー 1 号は、以前にも同じことを行っていました。1979 年、木星では、閉じ込められた荷電粒子の量が人間の死因の 1,000 倍にも達するにもかかわらず (PS、1979 年 7 月)、その放射線の中から、最大の惑星の環、地球外で最初の活火山、空気のない惑星の地下海の可能性など、数百の重要な発見がありました。 1980 年と 1981 年に土星に着陸した 2 機の宇宙船は、それまで知られていなかったリングを通り抜ける際に、極小の氷の粒子による激しい衝突に耐え、そこで数千もの土星リング、原因不明で最近溶けた氷の衛星、有機物の雲に覆われた液体炭化水素の海を持つ巨大な世界を発見しました (IPS、1981 年 3 月)。これらの宇宙船は、百科事典約 10 万冊に相当する 4 兆ビットの情報を地球に持ち帰りました。

私たちは地球にとどまっているため、歪んだ空気の海を通して遠くの世界をのぞき見るしかありません。宇宙船が太陽系の研究に革命をもたらした理由は簡単にわかります。私たちは宇宙の真空の澄み切った世界まで上昇し、そこから目的地に近づき、その横を飛んだり、周回したり、表面に着陸したりするのです。これらの近隣の世界は、私たちの世界について多くのことを教えてくれます。そして、私たちが愚かにも自滅しない限り、私たちの子孫にとって、隣国が今日のアメリカに住む人々にとって馴染み深いのと同じくらい馴染み深いものとなるでしょう。

ボイジャーとその仲間は、人類の発明の天才です。ボイジャー 2 号が天王星系に遭遇する直前、ミッション設計では最終的な進路修正が予定されていました。これは、移動する衛星の間を飛行するボイジャーを正しい位置に配置するために、搭載された推進システムを短時間作動させるというものでした。しかし、進路修正は不要でした。宇宙船は、50 億キロメートルの長さの弧を描く航路をたどった後、すでに設計軌道から 200 キロメートル以内にありました。これは、50 キロメートル離れた場所でピンを針の穴に投げ込むか、ニューヨークで標的ピストルを発砲してダラスの的を射抜くのとほぼ同じです。

惑星の宝の鉱脈はボイジャー号の無線アンテナによって地球に送られましたが、地球は非常に遠いため、信号が地球上の電波望遠鏡によって収集された時点で、受信電力はわずか 10 ～ 16 ワット (小数点以下 15 桁) でした。この弱い信号を通常の読書灯から発せられる電力と比較することは、原子の幅と地球と月の距離を比較するようなものです。(ちなみに、宇宙で地球と月が一緒に写っている最初の写真は、ボイジャー号の宇宙船の 1 つによって撮影されました。)

帰ってきた船の素晴らしさについてはよく耳にするが、それを運んできた船や船大工についてはあまり耳にしない。昔からそうだった。歴史書には、ニーニャ号、ピンタ号、サンタマリア号の建造者や、キャラベル船の原理についてさえほとんど書かれていない。前例はたくさんあるが、これは明らかに不公平だ。ボイジャーのエンジニアリング チームとその成果は、もっと広く知られるべきだ。

ボイジャー宇宙船は、カリフォルニア州パサデナにあるアメリカ航空宇宙局ジェット推進研究所（JPL）によって設計、組み立てられ、運用されている。このミッションは1960年代後半に考案され、1972年に初めて資金が調達されたが、現在の形（天王星と海王星への遭遇を含む）が承認されたのは、1979年の木星フライバイの後だった。2機の宇宙船は、フロリダ州ケープカナベラルで、再利用できないタイタン/ケンタウルスブースター構成によって、1977年の夏の終わりから秋の初めにかけて打ち上げられた。約1トンの重さがあるボイジャーは、かなり広いリビングルームを埋め尽くすほどである。各宇宙船は、放射性プルトニウムを電気に変換する発電機から約400ワットの電力を消費するが、これは平均的なアメリカの家庭よりもかなり少ない。惑星間磁場を測定する機器は非常に敏感なので、宇宙船の内部を通る電流が誤った信号を生成する。そのため、この機器は宇宙船から伸びる長いブームの先端に設置されている。他の投影と合わせると、ボイジャーはややヤマアラシのような外観になる。2 台のカメラ、赤外線および紫外線分光計、および光偏光計と呼ばれる機器がスキャン プラットフォーム上に設置されており、このプラットフォームは回転してこれらの機器を目標の惑星に向けることができる。送信されたデータを地球で受信するには、宇宙船のアンテナが地球の位置を認識している必要がある。また、宇宙船は太陽の位置と少なくとも 1 つの明るい星を認識している必要がある。そうすることで、3 次元で自身の方向を定め、通過する惑星に正しく向けることができる。カメラを向けることができなければ、何十億マイルも離れた場所から写真を返送できたとしても意味がない。

軌道上修理

各宇宙船の価格は、現代の戦略爆撃機 1 機とほぼ同じです。しかし、爆撃機とは異なり、ボイジャーは打ち上げられた後は、修理のために格納庫に戻すことはできません。

その結果、宇宙船のコンピューターと電子機器は冗長設計になっています。そして、ボイジャー号がトラブルに見舞われると、コンピューターは分岐したコンティンジェンシー ツリー ロジックを使用して適切な行動方針を決定します。宇宙船が地球から遠ざかるにつれて、往復の光 (および電波) 移動時間も長くなり、ボイジャー号が天王星までの距離に達する頃には 6 時間近くになります。

したがって、緊急事態が発生した場合、宇宙船は地球からの指示を待つ間、安全なスタンバイ モードに自分自身を切り替える方法を知っておく必要があります。宇宙船が古くなるにつれて、機械部品とコンピューター システムの両方で故障がますます増えることが予想されますが、深刻な記憶力の低下、つまりロボットのアルツハイマー病の兆候はまだありません。予期しない故障が発生すると、エンジニアの特別チーム (一部はボイジャー プログラムの開始当初から参加) が問題の「解決」に割り当てられます。彼らは根本的な基礎科学を研究し、故障したサブシステムに関する過去の経験を活用します。彼らは、故障モードに関する統計的理解を得るために、打ち上げられなかった同一のボイジャー宇宙船機器で実験を行ったり、故障した種類のコンポーネントを大量に製造したりすることもあります。

1978年4月、打ち上げからほぼ8か月後、地上からの指令が省略されたため、ボイジャー2号の搭載コンピューターが主無線受信機からバックアップ受信機に切り替わりました。

地上から宇宙船への次の送信中、受信機は地球からの信号にロックすることを拒否しました。追跡ループコンデンサと呼ばれる部品が故障していたのです。ボイジャー2号が通信不能になってから7日後、障害保護ソフトウェアはバックアップ受信機をオフにし、主受信機をオンに戻すように命令しました。しかし、不思議なことに、主受信機はその直後に故障し、回復することはありませんでした。ボイジャー2号は根本的に危険な状態に陥りました。主受信機が故障したにもかかわらず、搭載コンピューターは宇宙船にそれを使用するように命令しました。地球上のコントローラーがボイジャーにバックアップ受信機に戻るように命令する方法はありませんでした。さらに悪いことに、バックアップ受信機は故障したコンデンサのせいで地球からのコマンドを受信できません。最終的に、1週間のコマンド沈黙の後、コンピューターは受信機を自動的に切り替えるようにプログラムされました。

そしてその週の間に、JPL のエンジニアは、損傷したバックアップ受信機がいくつかの重要なコマンドを理解できるようにするための革新的なコマンド周波数制御手順を設計しました。

これは、エンジニアが宇宙船と少なくとも少しは通信できたことを意味しました。残念ながら、バックアップ受信機が今度は不調になり、宇宙船のさまざまなコンポーネントの電源を入れたり切ったりしたときに放出される熱に非常に敏感になりました。その後数か月間、JPL のエンジニアは、宇宙船のほとんどの動作モードが地球からのコマンドを受信する能力に与える熱の影響を徹底的に理解するための一連のテストを設計して実行しました。バックアップ受信機の問題は完全に回避されました。木星、土星、天王星のシステムでデータを収集する方法に関するすべてのコマンドを地球から取得したのはこのバックアップ受信機でした。エンジニアはミッションを救ったのです。(ただし、安全のために、ボイジャーのその後の飛行のほとんどの間、搭載コンピューターには次に遭遇する惑星の標準的なデータ取得シーケンスが常駐しています。)

1981年8月、ボイジャー2号が土星に最接近した後、土星の背後から現れた直後に、もう一つの悲痛な故障が発生した。最接近時に、スキャン プラットフォームは方位角方向に急速に移動しており、土星の環、衛星、そして土星自体の間を素早く移動していた。突然、プラットフォームが動かなくなったのだ。スキャン プラットフォームが動かなくなると、将来の画像やその他の重要なデータが著しく減少することは明らかである。スキャン プラットフォームはアクチュエータと呼ばれる歯車列によって駆動されるため、JPL のエンジニアは最初に、シミュレーション ミッションで飛行アクチュエータの同一コピーを実行した。地上のアクチュエータは 348 回転後に故障し、宇宙船のアクチュエータは 352 回転後に故障した。問題は潤滑不良であることが判明した。明らかに、オイル缶でボイジャーを追い抜くことは不可能だった。エンジニアたちは、故障したアクチュエータを交互に加熱と冷却して再起動させ、熱応力によってアクチュエータのコンポーネントが異なる速度で膨張と収縮を起こし、システムの詰まりを解消できるのではないかと考えました。地上で特別に製造されたアクチュエータで経験を積んだ後、エンジニアたちはこの手順を使用してスキャン プラットフォームを宇宙で再起動できることを喜んで発見しました。さらに、彼らは問題を回避するために、差し迫ったアクチュエータの故障を早期に診断する手法を考案しました。ボイジャー 2 号のスキャン プラットフォームは天王星系で完璧に機能しました。エンジニアたちは再び窮地を救ったのです。

独創的な解決策

ボイジャー 1 号と 2 号は、木星系と土星系のみを探索するように設計されました。軌道上を進むと天王星と海王星に到達することは事実ですが、公式にはこれらの惑星はボイジャーの探査対象として考慮されていませんでした。宇宙船はそれほど長く滞在するはずがなかったのです。土星系の軌道要件のため、ボイジャー 1 号は他の既知の惑星に遭遇することのない経路に飛ばされましたが、ボイジャー 2 号は天王星まで見事に飛行し、現在は 1989 年 8 月の海王星系への遭遇に向けて飛行中です。

これほど遠い距離では、太陽光は次第に暗くなり、宇宙船から地球に送信される無線信号も次第に弱くなっていきます。これらは予測可能ではあるものの、それでも非常に深刻な問題であり、JPL のエンジニアと科学者は天王星との遭遇前にこれらの問題も解決しなければなりませんでした。

天王星の光量が低かったため、ボイジャーのテレビカメラは長時間露光をせざるを得ませんでした。しかし、宇宙船は天王星系を非常に速く（時速約35,000マイル）移動していたため、画像がにじんだりぼやけたりしたはずです。これは多くのアマチュア写真家が経験したことです。これを克服するには、移動中の車から街の風景を撮影するときに自分の方向と反対の方向にパンするのと同じように、長時間露光中に宇宙船全体を移動して動きを補正する必要がありました。これは簡単そうに聞こえるかもしれませんが、実際にはそうではありません。最もさりげない動きを補正する必要があるのです。無重力状態では、画像を記録している搭載テープレコーダーを開始および停止するだけで、宇宙船が揺れて画像がにじむことがあります。この問題は、各シーケンスの開始時と停止時に宇宙船全体を少し回転させてテープレコーダーの揺れを補正するように、非常に感度の高い機器である宇宙船のスラスタに命令することで解決しました。地球で受信される電波のパワーが低いことを補うために、カメラ用に新しい、より効率的なデジタル符号化アルゴリズムが設計され、地球上の電波望遠鏡は感度を高めるために他の望遠鏡と結合されました。全体として、画像システムは、多くの基準から見て、土星や木星よりも天王星でよりよく機能しました。

JPL のエンジニアたちの創意工夫は、宇宙船の劣化よりも速いペースで成長している。そして、ボイジャーは海王星に遭遇した後も探査を終えないかもしれない。

もちろん、明日にでも重要なサブシステムが故障する可能性はあるが、プルトニウム電源の放射性崩壊の点から言えば、2機のボイジャー宇宙船は2015年ごろまで地球にデータを送ることができるだろう。そのころには、2機は太陽から地球までの距離の100倍以上を移動し、太陽圏界面に到達しているかもしれない。太陽圏界面とは、惑星間磁場と荷電粒子が恒星間磁場と荷電粒子に置き換わる場所である。太陽圏界面は、太陽系の境界の1つの定義である。

ロボットと人間のパートナーシップ

これらのエンジニアは現代の英雄です。しかし、彼らの名前を知っている人はほとんどいません。ボイジャー計画の成功に中心的な役割を果たした JPL エンジニア数名の名前を記した表を添付しました。

真に未来を憂慮する社会においては、ドン・グレイ、チャーリー・コールハース、ハワード・マーダーネスらは、ドワイト・グッデン、ウェイン・グレツキー、カリーム・アブドゥル・ジャバーらが彼らの並外れた能力と業績で知られているのと同じくらい、彼らの並外れた能力と業績でよく知られているだろう。

ボイジャーは、ロボットと人間の融合体という新しいタイプの知的生命体となった。人間の感覚を遥か遠くの世界にまで拡張する。単純な作業や短期的な問題には自身の知能に頼るが、より複雑な作業や長期的な問題には、別の、はるかに大きな頭脳、つまりJPLエンジニアの集合知と経験に頼る。この傾向は確実に拡大するだろう。ボイジャーは1970年代初期の技術を体現している。近い将来にそのような宇宙船が設計されるとすれば、人工知能、データ処理速度、自己診断および修復能力、経験から学習する宇宙船の能力において驚くべき進歩が組み込まれるだろう。人間にとって危険すぎる多くの環境において、未来はロボットと人間のパートナーシップに属し、ボイジャーは先駆者でありパイオニアであると認識されるだろう。

いわゆる防衛産業の標準と思われているものとは異なり、ボイジャー宇宙船はコストを抑えつつ、予定通りに完成し、設計仕様と製作者の最大の夢をはるかに超える成果をあげました。これらの機械は、制御、脅迫、傷害、破壊を目的とするものではありません。太陽系内外を自由に動き回れる、人間の本性の探究心を体現した機械なのです。

この種の技術、そしてその成果が世界中のあらゆる人々に自由に公開されていることは、米国の政策に不快感を抱く人々だけでなく、あらゆる問題で米国に賛同する人々からも賞賛される数少ない米国の活動の 1 つです。残念ながら、スペース シャトル チャレンジャー号の悲劇は、ガリレオ木星周回探査機および突入探査機など、ボイジャー号の後継ミッションの打ち上げが苦痛を伴う遅延を余儀なくされることを意味します。議会とホワイト ハウスからの真の支援、および NASA の明確な長期目標がなければ、NASA の科学者とエンジニアは他の仕事を探さざるを得なくなり、ボイジャー号に象徴される太陽系探査における米国の歴史的な勝利は過去のものになります。惑星探査ミッションは、人類全体にとって、私たちが最も得意とすることの 1 つです。私たちは道具を作る者です。これは人間であることの基本的な側面であり、おそらく本質です。

エイリアンに挨拶する

ボイジャー宇宙船は両方とも太陽系からの脱出軌道上にある。木星、土星、天王星の重力場によって非常に高速で飛ばされているため、最終的には太陽系から完全に離れ、星間空間の静かで冷たい暗闇の中を何時間もさまよう運命にある。そこでは、基本的に浸食は起こらないことが判明している。

太陽系を抜けると、ボイジャーが天の川銀河の中心を周回する間、宇宙船の表面は10億年以上無傷のまま残る。天の川銀河に他の宇宙航行文明が存在するかどうかは不明だ。もし存在するとしても、どれほどの数が存在するのかも不明だ。

しかし、遠い将来、ボイジャー号の 1 機がエイリアンの宇宙船に迎撃される可能性は少なくともある。ボイジャー 1 号と 2 号は人類が打ち上げた宇宙船の中で最速だが、それでも非常にゆっくりと移動しているため、最も近い恒星まで到達するには何万年もかかる。また、近くの恒星に向かっているわけでもない。したがって、少なくとも近い将来、ボイジャー号が「敵対的な」エイリアンを地球に引き寄せる危険はないだろう。

そこで、地球からの挨拶のメッセージを入れるのが適切だと思われた。NASAの要請で、私が委員長を務める委員会が蓄音機のレコードを設計し、それをボイジャー宇宙船の外側に貼り付けた。レコードには、地球の科学技術、組織、そして私たち自身について説明したデジタル形式の写真が116枚、多くの言語で書かれた、きっと理解不能な挨拶、地球の進化に関する音声エッセイ、そして1時間半にわたる世界最高の音楽が収められている。しかし、架空のエイリアンは私たちとはまったく異なる、別の世界で独自に進化した存在に違いない。彼らが私たちのメッセージを理解できると本当に確信しているのだろうか。こうした懸念が湧き上がるたびに、私は自分に言い聞かせている。ボイジャーのレコードがどんなに理解不能なものであっても、それを発見した地球外生命体は私たちを判断する別の基準を持つことになるのだ。

それぞれのボイジャーは、それ自体がメッセージです。その探査の意図、その目標の高尚な野心、そしてその設計と性能の素晴らしさにおいて、ボイジャーは私たちに雄弁に語りかけます。