NASAはプシケへの訪問で地球の中心を垣間見たいと考えている

1969 年 2 月 8 日午前 1 時過ぎ、青白い火の玉が米国南西部とメキシコ北部の上空を横切って流れた。地球の重力に引き込まれた隕石が大気圏で爆発したのだ。焦げた岩石がチワワ州プエブリート デ アジェンデ周辺の 200 平方マイルの地域に降り注ぎ、地元の人々が最初の破片を拾い集めた。すぐに宝探しゲームが始まった。子どもたちや他の住民は、高速道路の脇、家の近く、豆畑でプラスチックのキャンディ袋を使って隕石を拾った。科学者たちも、サボテンが点在する低木地帯に降り立った。NASA は研究者を派遣した。彼らは来たるアポロ 11 号の月面ミッションに備えており、この墜落を月のサンプルを研究するためのリハーサルのように扱っていた。落下後の最初の数か月で、研究チームは推定2トンの物質を発見し、13か国の少なくとも37の研究室がサンプルを受け取った。宇宙飛行士やロボットを送り込んで宇宙に岩石を収集することを夢見るようになるずっと前から、隕石を観察することは太陽系の古代の構成要素を間近で見る最良の方法だった。

アジェンデ隕石として知られるようになったこの隕石は、これまで発見された同種の物体としては最大のものだった。そして、太陽系最古の物質の代表格として、おそらく世界で最も研究された隕石となった。その標本には、45億年以上前に太陽の周りを渦巻いていた星雲で形成された最初の固体のうちの塵の粒子が含まれていた。その塵は凝縮して小石になり、次に岩になり、都市、つまり国家ほどの大きさの巨石になった。最終的に最初の小型惑星、つまり微惑星を形成し、地球のような世界に成長するか、激しい宇宙の遊び場で粉々に吹き飛ばされ、その破片の一部は、現在火星と木星の間の小惑星帯として知られる破片地帯に散らばった。

約 40 年後、アジェンデ隕石は新たな謎の中心に落下した。MIT の惑星科学者ベン・ワイス氏は、そのサンプルに古代の磁場の痕跡が見られることを発見した。何十年もの間、科学者たちは、隕石の 2 つの主なタイプ、すなわちコンドライトとアコンドライトは、2 つの異なるクラスの母天体から来たものだと想定していた。アジェンデはコンドライトに属し、原始惑星の塵から形成された、溶融していない純粋な宇宙岩石であると考えられていた。アコンドライトは、月や火星からできた隕石のように、惑星から砕けた塊か比較的小さな微惑星で、内部が溶融するまで膨張する。そのシナリオでは、ニッケルや鉄などの重金属は核に沈み、より軽い物質は表面に浮かぶ。アコンドライト母天体の核内に磁場を生成するメカニズムは、そのクラスの隕石に特有であるとの仮定だった。しかし、ワイス氏は疑問に思った。もしアジェンデがこれらの溶けた宇宙の岩石の一部ではなかったとしたら、どうして磁化されるのだろうか？

2009年、当時ワイスのMITの同僚だったリンディ・エルキンス＝タントンは、アジェンデはハイブリッド天体の塊である可能性、つまり内部は溶けているが外部は溶けていないという説を提唱した。これは当時としては衝撃的な理論だった。「科学界に大きな波紋を呼び、皆が本当に動揺しました」と彼女は回想する。「学術研究で起こる、茶番劇のような騒動でした」。当然、多くの科学者は広範な証拠がなければ長年信じられてきた考えを変えたがらないが、その論争を引き起こしてから約10年が経ち、エルキンス＝タントンは宇宙に漂う古代の微惑星核に関する未解決の疑問を解決し、時間を遡って地球自体の形成を研究できるミッションを率いている。

早ければ2023年10月にも、宇宙船が打ち上げられ、太陽系最大の金属小惑星プシケを訪れる41か月の旅に出る。この巨大小惑星は、宇宙の突発的な衝突で外層が剥がれ落ちた成長中の惑星の鉄ニッケル核ではないかとみられている。地球の核を直接見ることは決してできないだろう。少なくとも、3,100マイルも掘削し、華氏9,000度の温度と大気の300万倍の圧力に耐えられる超人的な技術が開発されるまでは。しかし、プシケは惑星の核をのぞき込み、初期の太陽系や、地球を宇宙放射線から守り、複雑な生命の進化を可能にした磁場の源について学ぶ機会を与えてくれる。

約 800 人のチームが、同じく「プシケ」と呼ばれるこのミッションに向けて、正念場を迎えている。しかし、打ち上げ時期が調整され、最終決定されるにつれ、この小惑星は、NASA が 5 年前に 8 億 5000 万ドルのプロジェクトを承認したときに予想していたよりもはるかに奇妙なターゲットになりつつある。当時、プシケは 90 パーセントが金属であると推定されていた。最新の分析では、この割合は高すぎることが示唆されている。そのため、研究者たちは、その特性を説明するために、突飛な新しい仮説を立てている。これらの仮説は、宇宙船が小惑星の周回軌道に到達した後に実際に検証できるものとなる。

プシケは本当に露出した惑星の核なのだろうか？それとも、金属を豊富に含んだ瓦礫の山にすぎないのだろうか？金属がゴボゴボと音を立てる火山の残骸がある奇妙な世界なのか？巨大で珍しいキラキラ輝く隕石のような、まばゆいばかりの何かなのか？「これがこの惑星の好きなところです」と、アリゾナ州立大学の惑星間イニシアチブの副学長であり、プシケの主任研究者でもあるエルキンズ＝タントンは言う。「既存のデータを説明するために私たちが導き出した答えは、どれも単純で明白な答えではありません。すべて低確率の出来事ですが、それは理にかなっているのかもしれません。なぜなら、宇宙にはプシケが 1 つしかないように思えるからです。」

今のところ、チームの主な考えは、プシケは砕けた核の残骸であるというものだ。「もうひとつは、これまで見たことのないものだということです」と、同じくアリゾナ州立大学のミッション科学者ジム・ベルは言う。プシケは金属が主成分の世界であり、太陽のすぐ近くで形成され、何らかの形で小惑星帯にまで到達した可能性があるという説もあると、彼は言う。「それらの物体がどのようなものかは、もうなくなってしまったのでわかりません。太陽に落ちて、地球型惑星に融合したのです。だから、たとえ私たちの考えが間違っていたとしても、何かとても興味深いことがわかるでしょう」

小惑星は、宇宙採掘によって私たちを豊かにしてくれるかもしれないし、恐竜のように絶滅させるかもしれない。しかし、小惑星は太陽系の過去の秘密を握っているため、おそらく最も探索する価値がある。地球の最も古い岩石は何度も溶けて粉砕されているため、45億年の歴史の痕跡を見つけることはまれである。地球が幼少期の記憶をすべて失っているとしたら、小惑星を訪れることは、その幼少期の写真を覗くようなものかもしれない。

最初の小惑星が観測されたのは約220年前。太陽系の欠陥モデルに基づき、天文学者たちは火星と木星の間に惑星があるはずだと結論づけていた。その惑星を探すため、ドイツで「天体警察」と呼ばれる組織が結成され、各メンバーに15度の空の領域を割り当ててスキャンさせた。1つの世界ではなく、現在では小惑星であることがわかっている世界がいくつか見つかった。その後の数十年間で、天体観測者たちはケレス、パラス、ジュノー、ベスタなどの天体を発見した。1852年3月、ナポリ天文台のイタリア人天文学者アンニーバレ・デ・ガスパリスは16番目の小惑星プシュケを特定し、ギリシャの魂の女神にちなんでプシュケと名付けた。

それ以来、より進歩した技術によって、プシケの全体像は若干改善された。例えば、分光計は鉱物が反射する光のさまざまな波長を調べることで、遠く離れた世界の組成を解読することができる。1970年代までに、天文学者は小惑星の小さなグループが地球に落下した鉄隕石に似ていることを発見した。1980年代までに、彼らはプシケがメインベルトにあるMクラス（金属）小惑星の中で最大のものであることを認識し、死んだ惑星の核の残骸であると理論づけた。

2009 年秋、同僚のワイス氏とアジェンデ隕石が磁化している理由についてブレインストーミングを行ったとき、エルキンス＝タントン氏の頭にはプシュケはなかった。30 分もしないうちに、彼女はワイス氏のホワイトボードに、放射性同位元素の極度の熱で内側から溶け始めた奇妙なハイブリッド物体の図を描いた。「彼女は基本的に、完全に溶けていないかもしれないという非常に単純な点を指摘していましたが、それはとても明白なことのように思えます」とワイス氏は言う。「私はこれ以前にも、その後もこのようなことはしたことがありませんが、私たちはカメラを取り出して写真を撮りました」

当時、天文学者たちは、初期の太陽系は整然とした堂々とした形で形成されたという教科書的な知識を覆し始めていた。その代わりに、彼らは高エネルギーのプロセスによって急速に微惑星や惑星が形成された激しい幼少期を支持していた。ワイスとエルキンス＝タントンが2010年に満員の会議室で発表し、その後、地球惑星科学レターズ誌に掲載された理論は、 2011年にこの新しい見解に貢献したのが、エルキンス＝タントン氏と彼女のチームだった。カリフォルニア州NASAジェット推進研究所の研究者であるブルース・ビルズ氏とダニエル・ウェンカート氏は、このアイデアに非常に興味をそそられ、MITの科学者たちをパサデナにある研究所のイノベーションファウンドリー（ミッションアイデアのインキュベーター）に招待した。彼らは、小惑星の内部を実際に見て、その一部が本当にこれらのハイブリッド天体であるかどうかを調べることができる宇宙旅行を計画できるだろうか？JPLの専門家が潜在的なターゲットを検討し、軌道を計算したとき、グループはすぐにその候補の1つがプシケであることを認識した。単なる構成要素ではなく、科学者がこれまで観測したことのない実際の核である可能性が最も高いものだった。エルキンス＝タントン氏と彼女のチームは、訪問の提案に取り組み始めた。

2017 年 1 月のある朝早く、マサチューセッツ州西部の雪に覆われた丘陵地帯で冬休みを過ごしていたエルキンス＝タントンさんの携帯電話が鳴った。NASA の科学ミッション部門の副管理者、トーマス・ザーブッヘンからだった。サービスは最悪だったが、電話が切れる前に「今起きたばかりなのは分かるけど、起こしてよかったと思ってもらえると思う」という声が聞こえた。これは、NASA のディスカバリー計画にミッションを提案する厳しい競争プロセスの報酬だった。ディスカバリー計画は、数年ごとに安価で効率的なミッションに資金を提供する目的で設立された、NASA の中規模惑星探査部門である。

エルキンス＝タントンは、そのキャリアの中で、魅力的な地質学的疑問を追い求める中で、多くの予期せぬ状況に遭遇した。博士号取得に向けて研究中、35億年前の月の内部の岩石の温度と組成を再現したいと考えたとき、彼女はアポロ宇宙飛行士が持ち帰った土を調べた。後に、地球上の生命をほぼ絶滅させた気候変動を引き起こした2億5000万年前の火山噴火を調査していたとき、彼女は貨物ヘリコプターと小型船でシベリアの辺境まで旅し、岩石を探した。こうしたことすべてにもかかわらず、彼女が執筆した論文が実際の宇宙ミッションにつながるとは思いもしなかった。タトゥーを入れようと思ったこともなかったが、その運命的な電話から数か月後、彼女はパーラーに座って最初のタトゥーを入れていた。手に微惑星の断面を入れたのだ。アーティストは目立たない場所を検討するよう提案したが、エルキンス＝タントンは興味を示さなかった。「このタトゥーが私の手にあるのは、このミッションがただじっと座って考えたり恐れたりすることではなく、実行し、構築し、作り、進むことだからです。」

NASA の新しいミッションの発表は、宇宙研究の世界に重力シフトを引き起こす可能性があります。実際の宇宙船のターゲットとして、Psyche はより多くの観察を引き付け始めました。切望された望遠鏡の時間や研究室の時間は突然、この知られざる物体に向けられました。しかし、長さ約 172 マイルの Psyche を地球から見るのは簡単ではありません (簡単であれば、訪問する必要はありません)。

「小惑星の場合、ほとんどの望遠鏡で見ると点しか見えないということを覚えておかなければなりません」と、ペンシルバニア州ブルームズバーグ大学でリモートセンシングと小惑星を専門とする惑星科学者で、サイケ探査チームには参加していないマイケル・シェパード氏は言う。彼のような研究者は、サイケ探査機のように遠く離れた比較的小さな天体の大きさ、表面の特徴、構成を判定するために、創意工夫を凝らさなければならなかった。

シェパードはプシケや他のM型小惑星を測定するいくつかのプロジェクトを主導しており、その結果はプシケがこれまで考えられていたほど金属ではないかもしれないことを示唆し始めた。2020年に崩壊するまで、プエルトリコのアレシボ天文台の巨大な反射皿は、天体のレーダー反射率（組成を判断するのに役立つ指標）を観測できる数少ない場所（そして断然最高の場所）の1つだった。シェパードは10年以上にわたってプシケの数値が下がるのを目の当たりにしてきた。「それは主に、プシケが特定の方向を向いているときだけ明るく見えるからです」と彼は言う。「平均化効果によって推定値が下がったのです」

プシケがそれほど金属的ではないかもしれないことを実際に示していたのは、その密度だ。その指標を計算するには物体の質量と大きさが必要で、より多くの観測により、かつては一貫性がなかったプシケの数値が収束し始めている。エルキンス＝タントン氏と同僚が2020年2月に発表した飛行前評価では、最良の測定結果では小惑星の密度は1立方センチメートルあたり約3.4〜4.1グラムであると述べている。無傷の鉄ニッケル核はその2倍の密度になるはずだ（水の密度は1立方センチメートルあたり1グラム。ほとんどの岩石は約3グラム。鉄ニッケルは約8グラム）。その結果、現在プシケの金属含有量はわずか30〜60パーセントと推定されている。

「宇宙空間を漂う固体鉄の塊というパラダイムは、もはや正しくないようです」と、このミッションには関わっていないがプシケを観測し研究してきたカリフォルニア工科大学の惑星科学者、キャサリン・デ・クレア氏は言う。「だから今、私たちはプシケが何なのか、そしてそれがどのように形成されたのかを理解しようとしているのです。」

プシケの物質がなくなった理由をどう説明すればいいのだろうか。科学者の中には、プシケは全部金属で、瓦礫の山のように多孔質なのではないかと考える人もいるが、これほど大きな物体が急速に熱を失い、穴があいたままだったとは考えにくい。レーダー反射率が特定の領域で高いように見えるため、インディアナ州パデュー大学の惑星科学者ブランドン・ジョンソン氏を含む一部の研究者は、プシケが外側から内側に冷やされるにつれて、鉄の火山が表面から噴出したのではないかと理論づけている。

「このアイデアはちょっと突飛なので、実はかなりの反発があるだろうと予想していました」と、プシケのいわゆる鉄火山活動をモデル化した論文の筆頭著者であるジョンソン氏は言う。しかし、この概念に賛同する人が他にもいることを知って、彼はうれしい驚きを覚えた。地球でも他の場所でもこのような流れを見た人は誰もいないため、ノースカロライナ州立大学（ローリー）の火山学者アリアナ・ソルダティ氏がそれを作ろうとした。彼女のチームは、ニューヨーク州シラキュース大学溶岩プロジェクトの炉を使用して、金属を多く含む玄武岩を溶かし、砂で覆われた斜面に溶岩を流し込み、その流れを観察した。そのパターンは、プシケでの同様の活動の痕跡を見つけるのに役立つ可能性がある。

地球の反対側では、同様に想像力に富んだ実験により、プシケの明らかに混合した地質が調べられた。太古の小惑星は数え切れないほどの衝突にさらされていただろう。フランスのコート・ダジュール天文台の宇宙化学者、ギー・リブール氏は、こうした衝突をミニチュアで再現するテストを主導した。日本の研究所では、同僚たちが鋼鉄の表面に小さな玄武岩の粒を毎秒約3マイル強という途方もない高速で撃った（ライフルの弾丸は毎秒約3分の2マイルの速さだ）。彼らは、玄武岩が衝突の熱で溶けて標的の表面でパンケーキのように平らになっているのを発見した。彼らは、プシケの金属は衝突によって運ばれたガラス質の岩石の層によってカモフラージュされているのではないかと主張している。それは、表面にそれほど金属がないように見える理由、さらにはMクラスの同類の表面にそれほど多くの金属がないように見える理由を説明できるかもしれない。金属小惑星は珍しく、さらに遠隔測定を行っても、純粋に鉄ニッケル核でできていることを示す密度を持つものはないようだ。「2026年に真実がわかるでしょう」とリブール氏は言う。

来年後半、すべてが新しいタイムラインどおりに進めば、Psyche チームの一部のメンバーはフロリダの空を横切る火の玉を目にすることになる。約 44,000 ポンドの推進剤を積んだ SpaceX の Falcon Heavy ロケットが、自動車サイズの Maxar 通信衛星を再利用したPsycheを乗せて地球の重力圏から脱出する。ペイロードから切り離された宇宙船は、重力の助けを借りて火星の周りを周回し、その後 Maxar の太陽電気推進システムを使って深宇宙へとゆっくりと進み、15 億マイルの旅を開始する。

「私たちはプレッシャーにさらされています」と、JPL の Psyche プロジェクト マネージャーであるヘンリー ストーン氏は言います。この旅は重力の助けに左右されるため、チームには打ち上げの期限がわずか 1 週間しか残されていないという厳しい制限があります。

来年打ち上げられれば、探査機は2029年に目的地に到着し、ほぼ2年間運用される。搭載カメラは、小惑星のクレーター、岩山、その他の地形上の驚きをすべて高解像度の画像で撮影する。（この機器はマルチスペクトルで、オルダマイト、カンラン石、輝石などの鉱物の目に見えない特徴を検出できるフィルターを備えており、科学者が小惑星の形成過程を解明するのに役立つ。）

より多くのデータがあれば、ミッションの科学者はプシケの地図をより正確に作成し、その重力場を理解することができるため、探査機は次第に低い軌道をたどって降下することになる。その間、6フィートのブームに取り付けられた磁力計センサーは、プシケの天体に古代の磁場が保存されているかどうかを調べるはずで、それが発見されれば、プシケがかつては極回転し部分的に溶けた鉄ニッケル核を持つ塊の一部であったことを示す大きな手掛かりとなるだろう。「小惑星の磁場を見たことはありませんが、あの物体は磁場を探すのに間違いなく良い候補に思えます」と、磁力計調査を率いるMITのワイス氏は言う。

別のブームに支えられたガンマ線および中性子分光計は、宇宙線が小惑星内の原子を吹き飛ばすときに生じるエネルギーシグネチャを検出する。これらの測定は、プシケの表面から1メートル下までの元素組成を判定するのに役立ち、金属やケイ酸塩の堆積物を図表化して、表面がコンドライト天体かアコンドライト天体のどちらであるかを示す可能性がある。

おそらく、ミッションに参加していない研究者にとって最も興奮するのは、宇宙船が撮影した画像が30分以内にオンラインで公開されることです。共有は、何百人ものチームを管理する中でエルキンス=タントンが磨いてきたリーダーシップの哲学に適合しています。彼女は、大規模な科学プロジェクトをより野心的にし、より大きな問題に取り組む方法について考えるようになりました。参加しているすべての研究者がデータ片を持って急いで研究室に戻り、二度と連絡が取れなくなることがないようにするにはどうすればよいか? プロジェクトを各部分の総和以上のものにするにはどうすればよいか? 彼女は、有名でカリスマ性のある主任研究者だけを持ち上げるヒーローモデルを捨てるよう、仲間の科学者に説いてきました。コミュニティが興奮できるサプライズに満ちたものになる可能性があるのであれば、修正が必要な不具合のある画像を公開することも気にしません。

最近の小惑星探査ミッションでは、予想外の光景を目にする覚悟ができていたはずだ。2010年代、日本のはやぶさ2とNASAのオシリス・レックスという2つの別々のサンプルリターンミッションが、それぞれのターゲットであるリュウグウとベンヌに接近したとき、科学者たちは両方の小惑星が予想されていたような細粒のレゴリスで覆われておらず、岩が散らばっているのを目にした。プシケの世界に引き込まれた研究者たちは、このミッションで発見できる余地が広く開かれていることに興奮しており、まだ尋ねるべきことが分かっていない疑問にたどり着くことを熱望している。

「おそらく、私が今日言ったことはすべて、宇宙に行けば間違いだとわかるでしょう」とエルキンス＝タントン氏は言う。「それが宇宙探査の素晴らしさであり、興奮であり、魅力なのです。」

このストーリーはもともと、PopSci の 2022 年夏の Metal 号に掲載されました。PopSci+ のストーリーをもっと読む。

編集者注（2022年11月10日）：この記事は、Psycheミッションの新しい日程を反映するように更新されました。NASAはまず6月に打ち上げを延期し、その後11月に遅延の概要を説明する内部レポートを発表しました。