太陽系の外縁部が私たちを待っていますが、そこに行くのは私たちが望むほど簡単ではないかもしれません

新たな10年が始まるまであと1年ちょっと。NASAのミッション計画もまったく新しいものになりそうだ。火星のような近いところから遠いところまで、実にさまざまなものが計画されている。実際、何百万マイルどころか何十億マイルも離れた世界へのロボットによる旅を希望する人々もいる。これには天王星と海王星（それぞれ1986年と1989年に人類が訪れた惑星）や、そのすぐ先のカイパーベルトと呼ばれる領域にある数百の氷の天体などが含まれる。

カイパーベルトには冥王星や、さまざまな大きさの何千もの他の惑星がある。そこにある天体のほとんどは、はるか昔に遠く離れた場所で冷凍保存されていた太陽系の構成要素からできている。カイパーベルトを訪れると、私たちの惑星とその近隣の惑星がどのように形成されたのか、なぜここに水がこれほど豊富に存在するのか、その他の謎について手がかりが見つかるかもしれない。

天王星と海王星も、それ自体がかなり謎めいている。他の惑星系について学ぶにつれ、ほとんどの世界は木星のように大きくも地球のように小さくもないことがわかってきた。その多くは、雲の層の奥深くに存在する水の氷の異様な状態から「氷の巨星」と呼ばれる天王星と海王星くらいの大きさである傾向がある。天王星と海王星の探査は、太陽系の惑星を理解するのに役立つだけでなく、近くの異星の恒星を周回する惑星を理解するのにも役立つ可能性がある。

しかし、こうしたミッションの多くは時間に依存している。NASA が近々実施する「10 年計画調査」では、2020 年代と 2030 年代に宇宙船をどこに送るかの方向性が NASA によって決められるが、この計画が遠距離探査計画の成否を左右する可能性がある。

10年調査の実施方法

2020年から、米国科学アカデミーのグループ（宇宙コミュニティの複数の利害関係者が参加）が集まり、探査の優先ターゲットのリストを作成する。科学者たちは「ホワイトペーパー」と呼ばれる推奨事項を書いて、このリストに加わる。

これらの勧告から、最優先のターゲットが何であるべきかについて一般的な合意が生まれます。これらのターゲットは、中規模のニューフロンティアミッションの提案ガイドラインとして機能します (ニューホライズンズと木星探査機ジュノーはどちらもこのカテゴリに属します)。NASA は最初にミッション提案を募集し、その後、段階的に 1 つまたは 2 つの最終候補に絞り込みます。最終候補が承認されると、その背後にあるチームはようやく計画と建設を開始できますが、これには何年もかかることがよくあります。

そうなると、カイパーベルト天体に衝突しながら天王星や海王星を探査するために必要な実際の時期に間に合うように準備を整えるのが難しくなるかもしれない。タイミングが非常に危ういのは、次の理由による。

氷の巨人への訪問

特に、あるグループは天王星と海王星の二重探査ミッションの根拠を固めている。彼らの最新のミッションは、天王星のフライバイと海王星の周回探査機である。マーク・ホフスタッターとエイミー・サイモンが率いるこのミッションの目的は、1986年にボイジャー2号が見た天王星の別の側面をのぞき見ること、そして海王星とその最大の衛星トリトンを調査することである。トリトンは後ろ向きに軌道を回っているが、これは海王星がトリトンを捕らえ、惑星の元々の衛星の多くを追い出す前は、トリトンがかつて最大のカイパーベルト天体だったためかもしれない。

サイモン氏によると、ミッションは、移動時間と探査の両方を含めて 15 年の寿命内に実行する必要がある。これは、部品が宇宙で比較的確実に持ちこたえられる期間による。宇宙船は保管寿命を超えても使えるし、実際にそうなっているが、15 年は、ミッションがほぼフルパワーで科学的目的を達成できるようにするための最低限の期間である。しかし、実際の探査段階が旅にあまり取られないようにするにはどうすればよいのだろうか。宇宙船の速度を上げる方法の 1 つは、惑星の重力を利用して速度を上げることである。

「通常、12 年未満でそこに到達するには惑星のフライバイが必要で、通常は地球と金星のフライバイが含まれます」とサイモン氏は言う。これらのシナリオでは、惑星の重力井戸に浸かり、スリングショット効果で最小限の燃料で宇宙船をさらに加速させることを期待します。「最良のケースでは、木星も使用します。木星は最も質量が大きく、宇宙船を本当に加速できるからです。」

たとえば、ニューホライズンズは木星の支援を受けて冥王星に急接近した。カッシーニは地球から打ち上げられた後、 4回のフライバイで土星まで加速し、金星から2回にわたって支援を受け、さらに地球を通り過ぎてさらにスピードを上げて、木星から最後の支援を受けた。

サイモン氏によると、十分な時間で天王星に到達するには、土星フライバイを利用できるという。これは、ガス巨星を29年の軌道の適切な位置で捉えるために、2024年から2028年の間に行う必要がある。NASAの基準からすると、それはかなり素早い判断が必要になるだろう。ミッションは通常、打ち上げ前に10年かけて計画されるが、中には（ニューホライズンズのように）計画から建設、打ち上げまで5年以内のミッションもある。そのため、おそらく次のチャンスは、2029年から2032年の間に木星フライバイを狙うことになり、これは海王星ミッションの絶好の機会にもなる。次のチャンスは、それから10年以上経たないと訪れないだろう。

サイモン氏によると、天王星探査では、従来の燃料と乗り物を使って、素早くそのスリングショットに到達できるという。アトラス V ロケットかデルタ IV ヘビーのどちらかだ。だが、海王星ははるかに遠く、正確な軌道も理想的ではないため、その惑星への探査は、NASA の次世代大型ロケットであるスペース ローンチ システム (まだ飛行は行われていない) に大きく依存することになる。それが間に合わなければ、別の次世代技術、つまり太陽電力を使ってイオン化ガスを点火し、乗り物を加速させる太陽電気推進に頼るしかない。これまでのところ、この技術はベスタとケレスのドーン宇宙船と、2 つの小惑星探査ミッションでのみ採用されている。

「太陽光発電の場合でも、太陽光が十分でなくなったときや、ブレーキをかけて軌道に乗るために化学エンジンが必要です」とサイモン氏は言う。

したがって、タイミングは少し厳しい。しかし、十分迅速に実行できれば、これら 2 つのミッションは、未踏のカイパーベルト世界に到達するという別の目的にも役立つ可能性がある。

偉大なる未知

ニューホライズンズチームの3人のメンバーが主導する別の論文では、冥王星への探査に成功した後、カイパーベルトに戻る可能性について検討している。「それがいかに興味深いことかがわかったので、他に何があるのか​​知りたかったのです」と、サウスウエスト研究所（SWRI）の主任エンジニアで、 Journal of Spacecraft and Rocketsに掲載される予定の論文の共著者であるティファニー・フィンリー氏は語る。

カイパーベルトには太陽系形成時の氷の残骸があり、その中の物体はさまざまな物質でできています。たとえば、冥王星はエリス（かつての惑星の地位を奪ったことで知られています）よりもわずかに大きいですが、冥王星は主に氷でできているため、質量ははるかに小さいです。エリスは岩石の割合が高いため、より密度が高くなっています。宇宙にはメタンを多く含む世界もあれば、アンモニアを多く含む世界もあるようです。まるで準惑星のガレージセールのようで、地球の初期の歴史の断片や小物が並んでおり、地球の惑星がどのように形成されたのか、そして他の惑星系が地球の惑星系に似ているかどうかを理解する鍵となります。

研究チームは、厳しい制約条件を課した。つまり、ミッションの有効期間を 25 年とし、最も明るいカイパーベルト天体 45 個を調査し、さまざまな惑星のフライバイ シナリオと比較した。予想通り、木星はリスト上のターゲットのほとんどを観測した。しかし、木星のウィンドウは 12 年に 1 回しか来ないため、やはり時間に依存する。土星の単純なフライバイでも、カイパーベルト ターゲットのかなり良いリストが得られる。

しかし、これらの世界を天王星や海王星と組み合わせると、神秘的な最外惑星や、かなり理想的な外準惑星について、一挙に新たな発見をするチャンスが得られます。

これらの世界に到達するには、まず木星から、次に別の惑星からのスリングショット効果が必要です。これらの惑星はそれぞれ、2030年代の狭い期間に木星と一直線に並び、その10年間の特定の部分にきちんと分割されます。たとえば、海王星の軌道にある世界のリストに行くには、2030年代前半に木星に行く必要がありますが、天王星を経由してカイパーベルトに行くには、2030年代半ばの時間枠が必要です。木星と土星は、2030年代後半にカイパーベルトへのスリングショットにちょうど良い位置に並びます。

ターゲット リストには魅力的な機会が生まれます。高速の自転速度によって細長く伸びた楕円形の惑星であるヴァルナは、木星と天王星のフライバイに最適な目的地です。前述のように、海王星はエリスにとってチャンスをもたらします。木星と土星のミッションでは、未発見の 10 番目の惑星への道を示す可能性のある軌道を持つ遠く離れた準惑星であるセドナを訪問できます。木星と土星は、最もエキサイティングな準惑星の 1 つであるハウメアへのピットストップに対応できます。

ハウメアはヴァルナと同様に、丸い形をしていることが多いカイパーベルトの大型準惑星のほとんどよりも卵形または楕円形に近い。しかし、ハウメアがこのような形になったのは、おそらく太古の衝突によって2つの衛星、環系、そして後ろに引きずられる破片の跡ができたためだろう。小惑星がすべて同じ構成になっているように見える場合、それらは「衝突族」と呼ばれる。ハウメアはカイパーベルトで唯一知られている衝突族を生み出した。

「ハウメアは、間違いなく一番クールです」とザンガリは言う。「誰もがハウメアに行きたがります。」

しかし、最終的にどこに行くにしても、限られた時間しか滞在できないかもしれない。だから、ハウメアの環やセドナの赤く異様な色合いを見たいなら、すぐに作業を開始する必要がある。太陽系の構成要素であるこれらの世界は非常に小さいので、詳細を知るには実際にそこに行くしか方法はない。