人類が作った最速の物体が接触すると宇宙塵を蒸発させる

NASA のパーカー太陽探査機は、恐ろしいスピードで太陽に向かって突進し、砂塵の嵐を突き抜けている。

新たな研究の発表によると、探査機のチームメンバーは、塵粒子との高速衝突が予想以上に頻繁に起こるだけでなく、探査機の表面に超高温プラズマの小さな煙が発生していることを発見した。

探査機の主なミッション目標は、太陽付近の電場と磁場を測定し、太陽から放出される粒子の流れである太陽風についてさらに詳しく知ることだと、コロラド大学ボルダー校の天体物理・惑星科学部および大気宇宙物理学研究所の宇宙プラズマ物理学者デビッド・マラスピナ氏は言う。マラスピナ氏が主導したこの研究は、チームが今週開催される会議で発表される予定だ。

科学者たちは太陽風を遠くから研究してきたが、「太陽風がどのように発生するかについては多くの基本的な疑問があり、地球に近い場所での測定だけでは答えられない」とマラスピナ氏は言う。

この探査機は人類が作った物体としては最速で、現在、黄道塵雲（太陽系全体の小惑星や彗星の残骸でできた巨大な雲で、ゆっくりと太陽に向かって落下している）の中を時速10万マイル以上の速度で移動しているとマラスピナ氏は言う。

パーカー太陽探査機は塵を調査するために作られたわけではない。だが、太陽に近づいて太陽風を調査するために、「黄道雲の最も密度の高い部分を突き進む」とマラスピナ氏は言う。塵の衝突を追跡することで、塵の密度を大まかに見積もることができる。そして、軌道を回るごとに探査機は太陽に近づき、速度を増していく。「砂嵐の中を運転しているのを想像してみてほしい。しかも、そのたびに速度が増していく」とマラスピナ氏は言う。

ミッションチームは探査機が塵に遭遇することは予想していたが、頼りになる現地の測定データがなく、これほどの塵に遭遇するとは予想していなかった。前回の軌道、つまり探査機が太陽を9周したとき、平均12秒ごとに塵にぶつかったとマラスピナ氏は言う。探査機の横に立てば、ホイップルシールドと呼ばれる探査機のマイラー保護コーティングに穴が開いているのが見えるだろう、と同氏は言う。しかし、これまでのところ、シールドは「あらゆる衝撃に耐えてきた」。

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マラスピナ氏によると、チームが最も心配しているのは冷却システムだという。宇宙船の太陽に面した部分はほぼ2000℃に達する可能性があるからだ。熱シールドの背後には水道管が通っており、熱をラジエーターに伝えて宇宙に放散させる。水道管の1本に穴があけば、宇宙船は間違いなく燃え尽きるだろうとマラスピナ氏は言う。

この過酷な環境に耐えられる宇宙船を作るには、「衝突に耐えられることが分かっている適切な材料を選び、事前に多くのテストと分析を行うことが重要です」とパーカー探査機のミッションシステムエンジニアであるジョンズホプキンス応用物理学研究所のジム・キニソン氏は言う。キニソン氏によると、これらのテストには超高速衝突チャンバーが含まれており、地球上の物質に非常に高速の微粒子を発射することで宇宙塵との遭遇を再現できるという。

太陽の近くの塵粒子はより豊富であるように見えるが、パーカー太陽探査機にとっては幸運なことに、予想よりも質量が小さいため、探査機に重大な損傷を与えるリスクはまだ低いとマラスピナ氏は言う。

マラスピナ氏は、塵の粒子は軽いにもかかわらず、非常に大きなエネルギーで宇宙船に衝突すると、「塵自身と宇宙船の表面の一部を蒸発させるだけでなく、イオン化もする」と述べ、衝突のたびに原子核から電子が引き剥がされ、微小で短命なプラズマ爆発が発生するとしている。

プラズマは強力な電荷を持っているため、これらの小さな噴出によって宇宙船の周囲の電界にスパイクが生じ、宇宙船はそれを測定することができます。

探査機はこれまでにもこうしたスパイクを捉えているが、探査機の周囲のプラズマ雲は予想以上に強烈だとマラスピナ氏は言う。プラズマ雲は非常に密度が高いため、太陽風と顕著に相互作用し、そのプロセスは磁場のない金星、火星、その他の惑星と太陽風が相互作用するのと似ている。これらの惑星では、太陽光が大気の一部をイオン化し、太陽風がその一部を吹き飛ばすことができる。

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探査機は太陽に近づきつつあり、科学者たちは長い間、強烈な太陽熱によって塵がすべて燃え尽きたと予測してきた領域に近づいている。実際、探査機の画像チームがこれを初めて観測した可能性もある。今後数回の軌道で、探査機は直接的な電場測定によってその発見を検証できるほど太陽に近づくことになる。

こうした極限の状況にもかかわらず、探査機は計画された破壊まで生き残る可能性が高い。最終的には太陽に非常に近づき、探査機は燃え尽きて太陽風の一部となるだろうが、マラスピナ氏はそれを「ある種詩的な結末」と表現する。