NASAがスターダストを打ち上げたとき、サンプルを回収する方法はなかった

8月14日、カリフォルニア大学バークレー校の研究者らは、NASAのスターダスト探査機による驚くべき発見を発表した。宇宙深海航海中に、探査機は7つの小さな星間岩石を捕獲し、太陽系外から採取された無傷の塵のサンプルとして初めて確認された。

多くの人が知らないのは、たとえ無事に帰還できたとしても、このミッションは簡単に失敗に終わっていたかもしれないということだ。1999年2月7日に打ち上げられたスターダストは、7年間の旅で、ヴィルト第2彗星と小惑星アンネフランク5535という2つの異次元の天体に遭遇し、その間ずっと宇宙塵を集めて分析のために持ち帰った。しかし、打ち上げ時もその後も、NASAには、探査機が捕らえた（もし帰還したとしても）宇宙塵の極小粒子を取り除いて研究する計画は誰もなかった。

実際、カリフォルニア大学バークレー校のアンドリュー・ウェストファルと彼のチームが宇宙船の貴重な積荷を回収する方法を考え始めたのは、スターダストの打ち上げから4年後のことでした。

「エアロゲルを手に持つと、幽霊をつかんでいるような感じになります。重さは感じず、透けて見えます。」

「私は初期から関わっていましたが、打ち上げ当時は抽出プロセスがまだ完成していませんでした」と、カリフォルニア大学バークレー校宇宙科学研究所の研究物理学者で上級研究員のウェストファル氏はポピュラーサイエンス誌に語った。「これは面白い問題だと思い、それを引き受け、粒子抽出の標準的な技術を開発したのです。」

スターダストのサンプルリターンキャニスターは、2006年1月15日にパラシュートで地球に帰還した。抽出プロセスは非常に繊細かつ複雑であるため、ウェストファル氏と彼の研究室はそれ以来ずっとその作業に取り組んでいる。

難しさのすべては、粒子を捕らえるのに使われる非常に奇妙な物質、エアロゲルに関係しています。宇宙では、塵は信じられないほど速く動きます。NASA によると、粒子によっては、ライフルの弾丸の 6 倍もの衝撃速度で移動するものもあります。したがって、この砂粒をうまく捕らえるには、完全に消滅させない方法で物質の速度を遅くする必要があります。そこでエアロゲルの出番です。

エアロゲルは、99.8% が空気である、非常に多孔質で軽量な固体です。この素材は、最初は大部分が液体のゲルですが、複雑な加熱プロセスを経て、液体がガスに置き換わります。これにより、空気とほぼ同じくらい軽く、熱伝導率が低く、ほぼ透明なスポンジのような素材が生まれます。

スターダスト以前、エアロゲルは、加熱を最小限に抑えながら高速粒子を減速して捕獲する能力があるため、実際には物理実験でのみ使用されていました。そのため、スターダストの副主任研究員であるピーター・ツォウ氏が宇宙塵を捕獲する方法を模索したとき、エアロゲルが自然な選択に思えました。「粒子がエアロゲルに当たると、その物質の中に埋まり、最大で自身の長さの200倍のニンジン型の軌道を作ります。これにより粒子は減速し、サンプルは比較的緩やかに停止します」とNASAはウェブサイトに書いています。

スターダスト探査機は、テニスラケットに似たコレクター内に90枚のエアロゲルタイルの配列を搭載し、1,000平方センチメートルを超えるエアロゲル表面積を実現した。

問題は、エアロゲルの扱いが非常に難しいことだとウェストファル氏は言う。「まるでそこにエアロゲルが存在しないかのように感じます」と同氏は言う。「エアロゲルを手に持つと、幽霊をつかんでいるような感じになります。重さを感じることができず、透けて見えます。」

ナイフでエアロゲルを切る？それはよくない考えです。材料が裂けて汚れ、その過程で捕らえられた粒子が破壊される可能性があります。そこで、長年の試行錯誤の末、ウェストファルと彼のチームは慎重な抽出手順を考案しました。これには、マイクロマニピュレーター（顕微鏡用に作られた非常に精密な機械装置）と、先端が非常に小さいため電子顕微鏡で丸みがほとんど見えないガラス針が含まれます。

「このマイクロマニピュレーターと針をミシンのように使います」とウェストファルは言う。「針をエアロゲルに約 10 ミクロン押し込み、次に針を移動させて、約 10 ミクロンの深さの別の穴を開ける、という作業を繰り返すのです。」一列に穴を開けた後、研究者たちは針をもう一度動かして、穴を 10 ミクロン深くする。このプロセスを何度も繰り返し、最終的に穴は 1 つの大きな切り込みにまとまる。そして研究者たちは、粒子とその軌跡を含む、ドアストッパーの形をした極小のエアロゲルのくさび形を切り出すことができる。

しかし、エアロゲルタイルを切り出した後も、やるべきことはまだある。ウェストファル氏のチームは、サンプルを薄くスライスして、塵の粒子をシンクロトロン（ウェストファル氏によると「ショッピングモールほどの大きさ」の顕微鏡）で観察できるようにする必要がある。

すでにご想像のとおり、このプロセス全体は信じられないほど遅い。チームはスターダストが2006年に帰還して以来、この抽出作業に取り組んできたが、分析はまだ終わっていない。「何十年もかかる作業です」とウェストファル氏は言う。「分析されたのはほんの一部だけです」