小惑星が地球を「監視」している！人間は「予期せぬ災害」からどのように身を守るのでしょうか？

小惑星衝突のリスクは人類が長期的に直面する大きな脅威であり、地球の安全と文明の存続にかかわる問題です。監視と早期警報は惑星防衛の第一歩であり、大きな使命と大きな技術的課題を伴います。

小惑星衝突の想像図

無視できないほど大きな脅威

太陽系には、大きさが数メートルから数百キロメートルまで、さまざまな形をした小惑星が数多く存在し、太陽の周りを周回しています。ほとんどの小惑星は、火星と木星の軌道の間にある小惑星帯と、海王星の外側のカイパーベルトに分布していますが、一部の小惑星は太陽や地球に近い場所にあります。

火星と木星の間の小惑星帯

小惑星の空間分布（緑は近い将来地球に接近しない小惑星、赤は地球に接近する小惑星）

人類の生存の基盤となっている地球は多くの脅威に直面しており、その中でも小惑星の衝突は最も深刻です。歴史上、それらは程度の差こそあれ、10回を超える生物の絶滅を引き起こしてきました。小惑星は極めて高速で地球の大気圏に突入し、大気圏に高温高圧の衝撃波を発生させます。小さく緩く構造化された破片は燃え尽きます。大きくて硬いものは大気圏を通過して地球の表面に衝突し、巨大な運動エネルギーを放出して、森林火災、地震、津波などの壊滅的な結果を引き起こす可能性があります。

6500万年前、直径10キロメートルの小惑星が地球に衝突し、世界規模の森林火災、大地震、津波を引き起こしました。塵と灰が空​​を覆い、太陽光を遮り、地球の温度を16℃下げました。この衝突は100万年続き、恐竜を含む地球上の種の70％が絶滅しました。

科学者たちは恐竜の絶滅は小惑星の衝突によって引き起こされた可能性があると推測している

コミック「スピードバンプ」より、デイブ・カバーリーによるコミック。本文: 「この発見は恐竜の絶滅を引き起こした小惑星衝突説を裏付けるものであるように思われます。」

通常、直径が60メートルを超える石質隕石、または直径が20メートルを超える鉄隕石が地球の大気圏を通過することができます。小惑星が大きくて重いほど、地球に衝突した場合に引き起こされる被害は大きくなります。国際的には、小惑星の脅威レベルは相当直径によって測定され、5つのカテゴリーに分類されます。

最初のタイプは、直径が数キロメートルに相当し、約 70 万年に 1 回発生し、地球規模の災害を引き起こす可能性があります。 6500万年前の恐竜絶滅災害は、およそ1億年に1回発生しました。

2 番目のタイプは、直径が 140 メートル相当で、大陸間災害を引き起こし、約 3 万年に 1 回発生します。 2019年7月、2019OKと名付けられた小惑星が7万2000キロの距離で地球を「かすめて通過」した。その直径は約57〜130メートルでした。もし地球に衝突すれば、爆発の威力は広島型原爆の5,000倍となるだろう。

3番目のカテゴリーは50メートルレベルで、約2000年に1回、都市レベルの大規模災害を引き起こす可能性があります。 1908年6月、直径30〜50メートルの小惑星が地球に衝突し、ロシアのシベリアにあるツングースカ川上空で爆発しました。その威力は広島型原爆の1,000倍で、森林火災を引き起こし、2,000平方キロメートルの範囲内で8,000万本以上の木が焼けました。

4番目のカテゴリーは20メートルレベルで、約200年に1回、町レベルの災害を引き起こす可能性があります。 2013年、直径約17メートルの小惑星が大気圏を通過し、ロシアのチェリャビンスク地方の上空90キロで爆発し、1,600人以上が負傷し、1,000軒以上の家屋が被害を受けた。

5 番目のカテゴリは、毎年発生するメートルレベルです。しかし、大気圏を通過するには小さすぎます。それらのほとんどは空中爆発や火球として発生します。爆発後に飛散した隕石の破片によって死傷者が出る可能性もある。 1988 年以来、世界中で 1 か月あたり平均 2 件の火球現象が記録されています。

天文学では、地球近傍小惑星とは、地球からの最短距離が 0.3AU 以内（1AU は地球と太陽の間の距離）の小惑星と定義されています。これまでに3万個以上の小惑星が発見されており、そのいくつかは軌道が地球の軌道と交差しており、地球に衝突する可能性がある。地球からの最小距離が0.05AUで、直径が140メートルを超える小惑星は、地球に脅威を与える近傍小惑星と定義されており、全体の約10分の1を占めています。

また、小惑星が地球から一定の距離以内に近づくと、地球の重力に捕らえられ、軌道が変わって地球に衝突する可能性があります。それらの軌道も、太陽系の他の大きな天体の重力の摂動により絶えず変化しています。そのため、地球に脅威を与える小惑星は一定ではなく、脅威のレベルは頻繁に変化します。

地上監視が主な

地球近傍小惑星が地球に衝突し、大災害を引き起こすことは避けられない出来事であり、長期的には人類が直面する大きな課題です。科学技術の進歩により、人類は徐々に小惑星衝突のリスクを分析し予測する能力を発達させてきました。危険な小惑星を検知・追跡する小惑星監視システムを構築することで、衝突時刻、着地地点、被害の程度などを事前に予測し、リスクを最小限に抑える効果的な対策を講じることができます。

小惑星の監視と早期警報には、主に 3 つの作業側面が含まれます。 1 つ目は、地球近傍小惑星をカタログ化することです。宇宙および地上の監視装置を通じて、新しい小惑星が発見され、その軌道が決定され、カタログ化されます。 2つ目は脅威警告です。カタログに記載されている一定の脅威をもたらす小惑星については、精密な追跡を実施し、正確な軌道パラメータなどの情報を取得し、衝突のリスクと被害の程度を評価します。 3つ目は短期予測で、地球に接近して衝突の可能性が高い小惑星を精密に追跡・計測し、衝突範囲を継続的に予測します。

現在、最も成熟し、広く使用されている監視および早期警報装置は、地上設置型の光学望遠鏡です。同じ空を異なる時間に繰り返し観測し、地域特性の変化を比較することで、彗星、小惑星、変光星を発見したり、小惑星の位置を特定したりすることができます。 1992年、米国はスペースガード・サーベイ・プロジェクトを立ち上げ、小惑星の活動を体系的に監視し始めました。最初に運用が開始されたのは、リンカーン地球近傍小惑星調査プログラムで、これには口径1メートルの望遠鏡2セットと口径0.5メートルの望遠鏡1セットが含まれています。

2005年、米国議会は地球近傍天体認可法案を可決し、NASA に対して、直径 140 メートル以上、近日点距離 1.3 AU 未満の地球近傍天体を 90% のカバー率で記録することを義務付けました。米国は、小惑星の監視と早期警戒を行うために、カタリナ・スカイ・サーベイ・システム、パンスターズ・プロジェクト、ディスカバリー・チャンネル・テレスコープ、大型統合サーベイ・テレスコープなど、地上の光学望遠鏡の建設を開始した。

カタリナ天文望遠鏡

カタリナ スカイ サーベイ システムは、未知の小惑星を探索するための口径 1.5 メートルと 0.7 メートルの広視野サーベイ 望遠鏡 2 台と、精密な追跡と測定を行う口径 1 メートルの狭視野望遠鏡 1 台を含む 3 台の光学望遠鏡で構成されています。地球に衝突する可能性のある危険な小惑星が発見されると、システムは直ちに緊急モードに切り替わり、3つの望遠鏡を動員して危険な小惑星を追跡・測定し、その対象が地球に衝突するかどうかを判断します。

カタリナ・スカイサーベイは、人類が発見した地球近傍小惑星の半分以上を発見しました。この独自の「2+1」設計により、システムは小惑星衝突のリスクを予測する上で優れたパフォーマンスを発揮します。これまで人類は地球への小惑星の衝突を7回予測しており、そのうち5回はカタリナ・スカイ・サーベイによるものだとされている。

Pan-STARRS プロジェクトは、空の同じ領域を同時に観測する 4 つの 1.8 メートル望遠鏡のアレイで構成されており、3.6 メートル望遠鏡と同等の解像度を実現します。カタリナ計画とパンスターズ計画は現在、地上からの有人小惑星監視の主力であり、過去 10 年間で最も多くの地球近傍小惑星を発見したシステムです。 2022年には、各国が合計3,182個の地球近傍小惑星を発見した。そのうち1,291個はカタリナ・スカイサーベイ・システムによって、1,263個はパンスターズ望遠鏡によって発見され、合計で80％を占めた。

パンスターズ

ディスカバリーチャンネル望遠鏡は、米国で 5 番目に大きい天文光学望遠鏡です。主鏡の直径は4.2メートルで、可視光と赤外線の2つの撮影モードを備えています。大型総合サーベイ望遠鏡はまだ建設中です。チリ北部のパルクドーム山脈のイル・ピヨン山頂に位置しています。主鏡の直径は8.36メートルで、集光力が強く、解像度が極めて高く、視野が広いのが特徴です。この望遠鏡は3日ごとに全天観測を完了することができ、これは他の望遠鏡の数年間の観測作業量に相当します。実用化されれば、世界最強の小惑星観測装置となる。

さらに、米国は惑星探査用にアレシボ電波望遠鏡とゴールドストーン太陽系レーダーという2つの地上レーダー基地を建設しました。レーダーは信号を送信し、小惑星から反射されたエコーを受信して​​、小惑星の軌道、形態、構造、物質組成を詳細に検出します。これは通常、小惑星が地球から 0.3 AU 以内を飛行する場合の短期予測に使用されます。

アレシボ電波望遠鏡

欧州は2009年に「宇宙状況認識」プログラムを開始し、各加盟国の地上レーダーや光電子機器を使用して人工天体、宇宙ゴミ、潜在的に脅威となる天体を監視し、口径0.4～4.2メートルの望遠鏡14台を動員して地球近傍小惑星の監視、早期警戒、軌道上廃棄などの研究作業に取り組んでいる。

ロシアは、国際科学光学検出ネットワーク、天文学研究所、国内の「望遠鏡自動操作装置移動天文システム」を活用して、地球近傍天体の探索と監視を行っている。チェリャビンスク事件後、ロシアは口径1.6メートルの新しい大視野調査望遠鏡の建設を加速させた。日本、韓国、その他の国々も、地球近傍天体の探査とその物理的特性を研究するための地上望遠鏡を建設している。

宇宙ベースの監視は重要な方向性である

地上設置型光学望遠鏡は、口径が大きく、観測距離が長く、建設・運用コストが低く、寿命が長いなどの利点があります。これらは現在、小惑星監視の基幹機器となっているが、克服するのが難しい固有の欠陥があり、全天、終日の監視や早期警報を実現することはできない。

まず、太陽側に観測死角があります。日中の強い光により小惑星の影が見えにくくなり、太陽側から飛来する小惑星を観測できなくなります。しかし、これらの小惑星が地球に近づくと、その明るさは急激に増します。それらはすぐに深宇宙に飛んでいくか、あるいはすぐに地球に衝突するかもしれません。 2013年のチェリャビンスク事件では、小惑星の衝突前に警告はなかった。 2019OK小惑星は、その1日前に観測されたが、その時点ではすでに地球に非常に接近しており、その重力に捕らえられて地球に衝突し、深刻な被害をもたらす可能性が非常に高かった。

第二に、有効観測時間が短く、干渉の影響を受けやすい。地上の光学望遠鏡は夜間にしか動作せず、大気、月光の散乱、地球近傍軌道での人間の宇宙活動などの要因によって簡単に妨害されます。地球の自転の影響により地上観測弧は不連続となり、目標の長期連続追跡が不可能となる。また、地球上の陸地と海の分布の影響で地上の望遠鏡観測網が偏在しており、南半球には構築物が少ないため、この方向から飛来する小惑星の検出が困難となっています。

第三に、観察手段が限られている。赤外線帯域には、暗い天体の観測能力が強く、小惑星のスペクトル情報が豊富であるという利点があります。光学観測と組み合わせることで、小惑星のアルベドと大きさを知ることができます。しかし、地球の大気の遮蔽により、地上で小惑星の赤外線帯域観測を行うことは困難です。

対照的に、宇宙ベースのプラットフォームには、全天候型運用、広い空域のカバー、広い観測帯域、正確な軌道予測などの利点があります。これらは地上監視システムの欠点を効果的に補うことができ、現在の主要な開発方向となっています。宇宙ベースのプラットフォームは通常、太陽同期軌道、金星型軌道、ラグランジュ軌道に配置されます。

現在、カナダの地球近傍天体監視衛星など、小惑星監視専用の宇宙プラットフォームは少なく、監視ネットワークも形成されていない。しかし、米国の広域赤外線探査機、欧州宇宙機関の探査機ガイア、日本のひかり衛星など、各国が宇宙望遠鏡を使って小惑星の観測を行っており、良い補完的な役割を果たしている。

広視野赤外線検出器

「ひかり」衛星は2006年に打ち上げられた。日本、欧州、韓国が共同開発した赤外線スペクトルの宇宙観測衛星である。太陽同期軌道で運用され、全天にわたって近赤外線、中波赤外線、遠波赤外線の3つのスペクトル帯域の観測を行います。軌道上での5年以上にわたり、この衛星は太陽系内で50万個以上の小惑星を発見した。

米国は2009年に広視野赤外線探査機を打ち上げた。同探査機は口径0.5メートルの望遠鏡を搭載し、赤外線帯域で運用され、高度500キロメートルの太陽同期軌道を周回する。探査機は2009年から2011年の間に数百の地球近傍小惑星と彗星を発見した。ミッションの拡大は2013年に始まり、135の地球近傍小惑星を含む34,000の新しい小惑星が発見された。この探査機は現在まで運用されており、現在では世界有数の宇宙ベースの小惑星観測プラットフォームの一つとなっている。

ガイア探査機は2013年に打ち上げられた。その使命は、天の川銀河の星の位置、距離、動きを高精度に観測することだ。この衛星は太陽地球L2点で動作し、地球に接近する地球近傍小惑星との位相角関係がより良好で、監視ネットワークの重要な補足となります。

ESAのガイア探査機

カナダは2013年に地球近傍監視衛星を打ち上げました。これは地球近傍小惑星の探索と監視に特化した世界初の衛星です。主な搭載物は、高度800キロメートルの低軌道で稼働する口径15センチメートルの反射望遠鏡である。現在は営業を停止しております。ドイツのAsteroidFinder衛星の主な任務もまた小惑星の検出である。

現在、米国は新世代の宇宙赤外線望遠鏡NEOCamを開発しており、これは他の検出器と連携して、直径140メートルを超える小惑星の90％以上を検出するという目標を達成する予定です。 NEOCam には、赤外線望遠鏡と熱赤外線スペクトルの広視野カメラが搭載されています。 2028年に打ち上げられ、太陽地球L1地点に配備される予定。ミッションサイクル中、潜在的に高リスクの地球近傍小惑星の 2/3 が望遠鏡の観測範囲を通過し、小惑星のサイズを正確に判定できるようになります。

米国は新世代の宇宙赤外線望遠鏡NEOCamを開発している

課題に対処するための国際協力

地球近傍小惑星は数多く存在し、探索、発見、追跡、監視といった作業は重労働かつ困難であり、観測の効率と適時性を向上させるためには世界的な協力が必要です。小惑星衝突の脅威は全人類に深く関係しています。すべての国が広範な国際協力を実施し、共同でリスクに対応することは避けられない選択です。

1994年7月、シューメーカー・レヴィ第9彗星が木星に衝突し、大規模な天体衝突が初めて直接観測されました。翌年、国連は「地球近傍天体の地球への衝突防止」に関する国際セミナーを開催し、地球近傍小惑星が地球に及ぼす潜在的な脅威を明言し、監視・追跡能力の強化を提案した。

木星に衝突するシューメーカー・レヴィ第9彗星の想像図

2014年、国連宇宙空間平和利用委員会は、国際小惑星警報ネットワークと宇宙ミッション計画諮問グループを設立しました。前者は、地球近傍小惑星の発見、追跡、カタログ作成、特徴分析を担当し、国際共同監視活動を随時組織して、地球近傍天体のカタログ作成と早期警報の精度を向上させるとともに、国際共同監視の調整と対応能力を強化しています。後者は、地球近傍小惑星防衛に関連する技術研究を推進する責任を負っています。

長年の発展を経て、各国は小惑星衝突のリスクにますます注意を払うようになり、協力の範囲は拡大し続け、監視および早期警報ネットワークは徐々に改善されました。

現在、米国は主に地上ベースで、宇宙ベースのネットワークによって補完される地球近傍小惑星監視ネットワークを構築しています。地上専用の光学望遠鏡 11 基と、地上と宇宙の両方の目的に使用できるプラットフォームを備え、最も完全な構造をしています。毎年多数の地球近傍小惑星を発見し、データベースを作成・公開し、国際的に共有される小惑星カタログデータの98％を提供するなど、重要な主導的役割を果たしています。 ESA は、地球近傍小惑星の監視、データ処理、軌道上廃棄に関する技術研究を組織するために、2013 年に惑星防衛局を設立しました。ロシアは2002年に惑星防衛センターを設立し、現在は9台の専用望遠鏡を保有しており、小惑星の監視と早期警戒に重要な貢献をしている。

我が国は2018年2月に国際小惑星警報ネットワークと宇宙ミッション計画諮問グループに正式に加盟しました。紫金山天文台の口径1.04メートルの望遠鏡を主な設備として、小惑星や彗星の体系的な観測と研究が行われています。パープルマウンテン天文台は、国際小惑星調査ネットワークにおける影響力のある観測所の 1 つになりました。 1,300個以上の地球近傍小惑星を観測し、30個以上の新たな地球近傍小惑星を発見した。麗江天文台や興隆天文台を含むいくつかの天文台は小惑星を観測する能力を備えており、将来的に地球近傍小惑星の監視および早期警戒ネットワークを確立するための基礎を築いています。

パープルマウンテン天文台地球近傍天体探知望遠鏡

各国が新たな観測機器の構築や天空調査を継続するにつれ、地球近傍小惑星の監視および早期警戒ネットワークは、主に地上の望遠鏡に依存するものから、地上および宇宙ベースのプラットフォームの協調ネットワークへと移行してきました。望遠鏡の口径は拡大し続け、視野は広がり続け、観測帯域は可視光から赤外線へ、単一帯域から複数帯域の統合へと変化し、宇宙と地上を統合した全天、終日の監視と早期警戒能力が徐々に形成されていきます。

各国は新たな地球近傍小惑星を発見し続けている。 2022年末時点で、その総数は31,014個に達しており、そのうち直径140メートルを超えるものが10,000個以上、直径1キロメートルを超えるものが1,000個近く、潜在的に危険な小惑星が2,000個以上ある。

人類は、短期間でカタログ化できず、突然接近する可能性のある多数の地球近傍小惑星に対しても、ある程度の暫定的な予測能力を開発しており、衝突警告の成功例も増加している。 2008 年、天文学者はカタリナ スカイ サーベイを使用して、小惑星 2008TC3 が 19 時間前に地球に衝突することを発見し、予報を発表して、小惑星の衝突に関する最初の正確な予測を達成しました。これまで人類は7回の予測に成功しており、警告時間は2時間から19時間の範囲です。

大きな小惑星または彗星が地球に衝突する

小惑星の監視はまだ長い道のり

過去 10 年間で、人類は地球近傍小惑星の監視、早期警報、防衛対応において大きな進歩を遂げてきましたが、まだ観測されていない危険な小惑星が数多く存在します。太陽系の小天体の形成と進化のモデルによれば、等価直径が10～140メートルの地球近傍小惑星の総数は1×105個程度である。これまで観測が行われた部分については、キロメートル相当直径クラスのカタログ化完了率は95％を超えているが、140メートルクラスのカタログ化完了率は40％程度にとどまり、50メートルクラスのカタログ化完了率は3％程度、20メートルクラスのカタログ化完了率は1％未満となっている。暗く広大な宇宙には、衝突の危険性がある小惑星がまだ数多く潜んでいます。

これらの未発見の小惑星の運動軌道は複雑です。大きな惑星の重力や宇宙環境などの影響を受け、飛行軌道が予測不能に変化するため、長期的な軌道予測が非常に困難です。人類の小惑星の測定精度や予測モデルでは、数千年、数万年後の衝突リスクをまだ正確に予測することができないため、監視・早期警報能力の開発を継続する必要があります。

歴史的に見ると、相当直径10メートル未満の小惑星の衝突は頻繁に起きているものの、被害は比較的小さい。直径20～140メートル相当の小惑星の衝突は、特別な注意を必要とする規模です。町や大都市、さらには大陸間レベルでも被害を引き起こす可能性があります。同時に、その数は非常に多いため、衝突の可能性は無視できません。地球近傍小惑星の監視と早期警報には、まだ長い道のりが残っています。

主に地上ベースで、宇宙ベースで補完される既存の監視システムの下で、人類は直径1kmを超える地球近傍小惑星の大部分を観測してきました。今年、米国の大型シノプティック・サーベイ望遠鏡が正式に運用開始される。シミュレーション計算結果によれば、12年以内に直径140メートル以上の地球近傍小惑星の90％のカタログ作成が完了する見込みだ。しかし、直径140メートル未満の目標物については、地上望遠鏡では合理的な期間内に体系的な探知を完了することができないため、地上望遠鏡のネットワーク化による長期観測を主とし、宇宙望遠鏡による標的調査を補完する統合監視・早期警戒能力を段階的に構築するために、宇宙監視ネットワークを展開する必要がある。

2022年、我が国は地球外物体の脅威に対する人類の対応に貢献するために小惑星防衛システムを構築すると発表しました。小惑星の監視と早期警戒の面では、2023年に青海省冷湖市に「墨子」大視野探査望遠鏡が完成した。青海省冷湖市は、晴れた夜が多く、光害が少なく、視界が良好で、天文光学観測に最適な条件を備えている。ユーラシア大陸最高の光学観測所として知られています。 「墨子」の主鏡は直径約2.5メートルで、7億6500万画素の大目標主カメラを搭載している。

青海省海西県冷湖鎮の賽石頂山天文台の敷地と建設中の大型野外調査望遠鏡のドーム

同時に、重慶市雲陽県中州島では「中国複眼」プロジェクトの第2期工事が進行中で、2025年までに30メートル口径レーダー25基を建設する予定だ。「中国複眼」はわが国初の大規模分散口径深宇宙探知レーダーである。完成すれば、探知距離は1億5000万キロに達し、数億キロ離れた小惑星や地球型惑星の観測が可能になり、人類の深宇宙観測の限界が拡大し、我が国の地球近傍小惑星衝突防衛と惑星科学研究に重要な支援を提供します。

建設中の「中国の複眼」

わが国は、人類運命共同体の構築という理念に基づき、国際社会とともに地球近傍小惑星衝突のリスクに積極的に対応し、積極的に参加し、率先して中国の力を宇宙の平和利用、人類の安全の保護、人類の福祉の向上に貢献してきました。科学技術の継続的な発展と世界各国の共同の努力により、人類は最終的に危険を克服し、自らの安全を効果的に守ることができるようになるでしょう。