NASAがロケットの月面衝突を喜んで見る理由

ポール・ヘインはコロラド大学ボルダー校の天体物理学および惑星科学の助教授です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。

2022年3月4日、使用済みのロケットブースターが時速約6,000マイルで月面に衝突する。塵が落ち着くと、NASAの月探査機が位置に移動し、くすぶるクレーターを間近に観察し、惑星衝突の神秘的な物理学を解明するだろう。

月を研究する惑星科学者として、私はこの予期せぬ衝突を刺激的な機会と捉えています。月は太陽系の歴史を忠実に目撃しており、その表面には多数のクレーターがあり、過去 40 億年の間に数え切れないほどの衝突が記録されています。しかし、科学者がこれらのクレーターを形成する飛来物 (通常は小惑星または彗星) を垣間見ることはめったにありません。クレーターが形成された原因の詳細がわからない限り、科学者がクレーターを研究して学べることは限られています。

今後のロケット衝突は、自然の衝突が惑星の表面をどう打ちのめし、削り取るかについて多くのことを明らかにする幸運な実験となるだろう。衝突物理学のより深い理解は、研究者が月の荒涼とした地形や、衝突が地球や他の惑星に与える影響を解釈する上で大いに役立つだろう。

ロケットが月に墜落したとき

現在、月と衝突する軌道上にあるこの物体の正体については議論が続いている。天文学者たちは、この物体が高高度衛星打ち上げ時に廃棄された上段ブースターであることを認識している。この物体は長さ約40フィート（12メートル）、重さ約1万ポンド（4,500キログラム）である。証拠から、この物体は2015年に打ち上げられたスペースX社のロケットか、2014年に打ち上げられた中国のロケットである可能性が高いとされているが、両社とも所有権を否定している。

ロケットは、地球から月の裏側の地平線のすぐ上にある巨大なヘルツシュプルングクレーター内の広大な不毛の平原に墜落すると予想されている。

ロケットが月面に接触した瞬間、衝撃波が数マイル/秒の速さで発射体の長さに沿って伝わります。数ミリ秒以内に、ロケットの船体後端が金属片で四方八方に爆発し、消滅します。

2 つの衝撃波が、レゴリスと呼ばれる月面の粉状の最上層に下降します。衝撃の圧縮により、塵や岩が熱せられ、白熱の閃光が発生します。その瞬間、その地域に宇宙船があった場合、宇宙からでもその閃光が見えるでしょう。気化した岩や金属の雲が衝突地点から広がり、塵や砂粒の粒子が空に向かって飛び上がります。数分のうちに、噴出した物質は、くすぶっているクレーターの周囲の地表に降り注ぎます。不運なロケットの痕跡はほとんど残らないでしょう。

宇宙ファンなら、この説明を読んでデジャブを感じたかもしれない。NASA は 2009 年に同様の実験を行い、月面クレーター観測探査衛星 (LCROSS) を月の南極付近の永久影のクレーターに意図的に衝突させた。私は LCROSS ミッションに参加したが、これは大成功だった。太陽光に舞い上がった塵の柱の組成を研究することで、科学者たちは衝突によって月面から解き放たれた数百ポンドの水氷の痕跡を見つけることができた。これは、数十億年にわたって彗星が月面に衝突する際に水と有機化合物を月に運んできたという考えを裏付ける重要な証拠だった。

しかし、LCROSSロケットのクレーターは影に隠れているため、私と私の同僚は、この埋もれた氷の多い層の深さを判定するのに10年も苦労してきました。

月探査機「ルナー・リコネッサンス・オービター」による観測

これから起こる衝突という偶然の実験により、惑星科学者たちは非常によく似たクレーターを日中に観察する機会を得ることになる。それは、LCROSSクレーターを初めて詳細に見るようなものとなるだろう。

衝突は月の裏側で起こるため、地球上の望遠鏡では見えません。しかし、衝突から約 2 週間後、NASA の月探査機が衝突地点の上空を周回し、クレーターを垣間見ることができるようになります。条件が整えば、月探査機のカメラは衝突地​​点の写真を 1 ピクセルあたり約 3 フィート (1 メートル) の解像度で撮影し始めます。他の宇宙機関の月探査機もカメラをクレーターに向ける可能性があります。

クレーターの形状と噴出した塵や岩石から、衝突時にロケットがどのような方向を向いていたかが明らかになるだろう。垂直方向であれば、より円形の特徴が生まれ、非対称の破片のパターンは、より胴体部分の落下を示す可能性がある。モデルによれば、クレーターの直径はおよそ 30 フィートから 100 フィート、深さはおよそ 6 フィートから 10 フィートの範囲である可能性がある。

衝突によって発生した熱量も貴重な情報となる。観測が十分迅速に行われれば、月周回衛星の赤外線機器がクレーター内部の熱く輝く物質を検出できる可能性がある。これを利用して衝突による熱の総量を計算できる。周回衛星が十分な速さで観測できない場合は、高解像度の画像を使用してクレーターと残骸の領域で溶けた物質の量を推定できる。

科学者たちは、探査機のカメラと熱センサーから得た前後の画像を比較することで、表面に生じたその他の微妙な変化を探す。こうした変化の一部は、クレーターの半径の数百倍に及ぶこともある。

なぜこれが重要なのか

衝突とクレーターの形成は、太陽系で広く見られる現象です。クレーターは惑星の地殻を粉砕して断片化し、徐々に、ほとんどの空気のない世界で一般的な、緩い粒状の最上層を形成します。しかし、このプロセスは一般的であるにもかかわらず、その全体的な物理学はほとんど理解されていません。

今後のロケット衝突とその結果生じるクレーターを観察することで、惑星科学者は 2009 年の LCROSS 実験のデータをより適切に解釈し、より優れた衝突シミュレーションを作成できるようになります。今後数年間に月を訪れる予定のミッションが多数あるため、月面の特性、特に埋もれた氷の量と深さに関する知識が強く求められています。

この気まぐれなロケットの正体が何であれ、このまれな衝突イベントは、月やそれ以降の将来のミッションの成功にとって決定的に重要となる可能性のある新たな洞察をもたらすだろう。