木星の北極と土星へ飛ぶ：パイオニア11号丨惑星ツアー

パイオニア11号は土星を近距離で探査した最初の探査機であり、木星の北極と南極の観測に成功した最初の探査機でもあった。これはパイオニア10号の後継機であり、ボイジャー2号の後継機でもある。この成功により、人類の「外惑星」（木星、土星、天王星、海王星）探査は大きく前進し、その後の外惑星探査機がミッションを遂行するための貴重な経験も蓄積された。特に、ボイジャー2号の予定航路の安全性を確認し、同号による天王星と海王星の探査成功への道を開き、人類の「惑星周遊」偉業の実現にかけがえのない重要な役割を果たした。

著者 |王山琴

パイオニア10号の成功は、木星を近距離で探査するという人類の夢を実現し、外惑星の探査に対する人類の自信を大きく高めただけでなく、姉妹探査機であるパイオニア11号を予備モードから独立探査モードに切り替えることを可能にしました。

NASAエイムズ研究センター（ARC）のパイオニアチームが土星へのパイオニア11号ミッションを正式に開始しました。この計画の具体的な手順は、パイオニア11号がまず木星を訪問し、次に木星の重力のパチンコ効果を利用して軌道を加速・変更し、その後土星に直行して、土星探査の氷を砕く旅を実現するというものです。

ほぼ同じ：パイオニア11号の構造

パイオニア11号の構造はパイオニア10号と全く同じで、どちらも電力を供給するための原子力電池、通信を維持しデータを送信するためのアンテナシステム、探知のための重要な機器、測位と航行のためのシステムを備えています。

パイオニア11号に搭載された機器は、パイオニア10号に搭載されたものと基本的に同じでした（下図参照）[1]。しかし、パイオニア11号にはパイオニア10号よりも1つ多くの機器、フラックスゲート磁力計が搭載されていました。この機器の追加により、パイオニア10より0.5kg重くなり、総質量は258.5kgになります。

パイオニア 11 (およびパイオニア 10) の構造図。メインアンテナ（高利得アンテナ）の中央にあるマークのないアンテナは、中利得アンテナです。画像出典: NASA、Mysid によるベクター;画像テキスト翻訳：Wang Shanqin

さらに、打ち上げが1年以上遅れたため、パイオニア11号の機器、特に磁場や放射線を検知する機器はある程度改良されました。パイオニア11号の推進システム、通信システム、原子力電池システムはパイオニア10号と全く同じです。

1973年4月6日午前2時11分（UTC）、パイオニア11号がアトラス・セントールロケットで打ち上げられました。探査機を宇宙に送り出したロケットには、探査機がさらに高速に飛行できるように、強力なエンジンが搭載されていた。この時点で、約13か月前に打ち上げられたパイオニア10号は小惑星帯を離れ、木星に向かっていたが、木星の探査はまだ始まっていなかった。

パイオニア11号ロケットが宇宙に打ち上げられる。画像提供: NASA マーシャル宇宙飛行センター (NASA-MSFC)

1974年3月中旬、パイオニア11号は小惑星帯を無事に通過した。 1973年4月11日、パイオニア11号は軌道修正を行った。

重大な軌道変更

1974年1月1日、パイオニア10号は木星探査ミッションを無事完了しました。パイオニア11号はパイオニア10号の予備としては使用されなくなり、代わりに土星の探査に使用されました。しかし、木星の重力によるスリングショット効果を利用して軌道を変えて加速するためには、まず木星を通過する必要がある。

パイオニア10号の大成功を確認した後、ボイジャーチームはパイオニア11号が木星にさらに接近し、将来のボイジャーによる木星フライバイへの道を開くことを期待した。

ルートが短くなればリスクが大きくなるため、パイオニアチームの一部のメンバーはそのアイデアに反対した。しかし、賛否両論を検討した結果、パイオニアチームは最終的にこの提案に同意しました。結局のところ、距離が近づくということはリスクを意味するだけでなく、木星の高解像度の画像が得られるという大きなメリットも意味します。

1974年4月26日、パイオニアチームは3つの目標を達成するためにパイオニア11号の軌道を修正する命令を発しました。

まず、パイオニア11号はパイオニア10号よりも木星に近づくため、より高解像度の観測が可能になります。

第二に、パイオニア11号の軌道面は木星の赤道面に対して52度の角度になります。これには2つの利点があります。(1)木星系に入る際に木星の北極と南極の領域を観測することができます。 （２）パイオニア１１号が受ける木星からの放射線量を最小限に抑えることができる。パイオニア１０号によるこれまでの検出では、木星の磁場は木星の赤道面を囲むトロイダル磁場であることが示されていた。このような軌道に沿って飛行することで、木星の磁場と放射線が機器に与える影響の期間を最小限に抑えることができます。

3つ目に、修正された軌道は木星を逆行して通過することになる。つまり、その軌道は木星の自転方向と逆方向になるということだ。これにより、短期間で木星の表面をより詳しく観察し、木星の磁場をより正確に測定できるようになります。

木星系の探査

1974年11月7日、パイオニア11号は操縦を行い、木星系に進入し始めました。 11月25日午前3時39分、パイオニア11号は木星のバウショックを通過した。次に、パイオニア11号は木星とその衛星の接近通過を開始しました。

パイオニア 11 号とパイオニア 10 号による木星系 (木星とその衛星) のフライバイ経路の地図 (木星系の軌道面の鳥瞰図)。パイオニア11号とパイオニア10号は木星を反対方向に周回していることがわかります。画像出典:
https://www.nasa.gov/feature/45-years-ago-pioneer-11-explores-jupiter、画像とテキストの翻訳：王山琴

1974年12月2日、パイオニア11号はカリスト（786,500キロメートル離れている）とガニメデ（692,300キロメートル離れている）を通過しました。 12月3日、パイオニア11号はイオ（314,000キロ離れた場所）とエウロパ（586,700キロ離れた場所）を通過しました。 [2] パイオニア10号と比較すると、パイオニア11号は木星の4つの衛星を異なる距離で通過した。 、

1974年12月2日、パイオニア11号は756,000キロメートルの距離から三日月形のイオを撮影しました。画像提供: NASA/エイムズ

1973 年と 1974 年にパイオニア 10 号とパイオニア 11 号が撮影した木星の 4 つの「ガリレオ衛星」の画像。左から右に、イオ、エウロパ、ガニメデ、カリストです。イオの画像はパイオニア11号によって取得されました。画像出典:

https://history.nasa.gov/SP-349/p180.htm

1974 年 12 月 3 日午前 5 時 2 分、パイオニア 11 号は木星の後ろを通過しました (地球の視線に対して)。 19分後、パイオニア11号は木星の近地点に到達した。この時点で木星の雲頂から42,828キロ離れた地点にあった。比較すると、パイオニア10号の近日点と木星の雲頂の間の距離は132,000キロメートルだった。そのため、パイオニア11号はパイオニア10号よりも木星にかなり近く、後者の距離のわずか3分の1であったため、後者よりもはるかに鮮明な木星の画像を取得することができました。

パイオニア11号は、木星の南緯31度上空、木星から54万5000キロ離れた地点にあったときに、木星の大赤斑の鮮明な画像を撮影した。画像提供: NASA

パイオニア11号は木星の近日点に到達する前に秒速47.5キロメートルに達し、当時としては最速の人工物となった。

パイオニア10号と同様に、パイオニア11号にもデータ保存装置が搭載されておらず、取得したデータをすぐに送信することしかできなかったため、木星の後ろを通過したときには取得したデータを地球に送信することができなかった。

1974年12月3日午前5時44分、パイオニア11号は木星の後ろから現れ、取得したデータの再送信を開始しました。その後、木星の北極上空を高速で飛行した。 12月3日午前9時27分、パイオニア11号は木星から43万5000キロ離れた地点で木星の北極地域を撮影した。人類が木星の極地を観測したのはこれが初めてだった。

パイオニア11号が撮影した木星の北極地域のこの画像では、解像度は1ピクセルあたり152キロメートルに達します。 [3] これまで天文学者たちは、木星の極地の大気は赤道域の大気よりも透明度が高く、北極と南極を観測することで大気の内部をより深く観察できるのではないかと推測していた。

パイオニア11号が撮影した木星の北極地域の画像。画像提供：NASA

この探査機の速度はパイオニア10号よりも速く、軌道面は木星の赤道面に対してより大きな角度をなしていたため、木星接近通過中に木星の環状放射線帯から受けるダメージはパイオニア10号よりも少なかった。

1974 年 12 月 3 日、パイオニア 11 号はエウロパ (距離 127,500 km) を通過し、その質量を測定しました。パイオニア10号はこれまでそこを訪れたことがなかった。

1975年1月1日、パイオニア11号は木星の探査を終了した。パイオニア11号は木星系の探査中に、木星とその衛星の写真を何百枚も送信し、木星の赤外線測定を行い、磁場と荷電粒子に関するデータを取得しました。

土星への飛行：議論、妥協、そして犠牲

木星の巨大な重力により、パイオニア11号の軌道は大きな角度で偏向しました。その後、パイオニアチームは1976年5月26日と1978年7月13日の2度にわたり、探査機の軌道を変更する指示を出し、さらに軌道を修正して、探査機を軌道の反対側にある土星まで飛行させた。

パイオニア11号が捉えた軌道経路。1973年4月に地球から打ち上げられ、1974年12月に木星系を通過した。木星の重力の影響で軌道は大きく変化した。その後、探査機は自ら推進剤を噴射して軌道を変え、土星に向かって飛行した。 1979年9月に土星系を通過し、その後太陽系を離れた。画像出典: NASA;画像テキスト翻訳：Wang Shanqin

当時、ボイジャー計画は承認され、関連チームが結成され、その後の計画が決定されていました。ボイジャー1号は、より鮮明な画像を取得するために木星系と土星系の探査を継続します。ボイジャー2号は、ボイジャー1号のミッションを遂行する（ボイジャー1号が失敗した場合）、または木星、土星、天王星、海王星を探査する（ボイジャー1号が成功した場合）。

ボイジャー2号が天王星へ飛行するための重要なステップは、土星のAリングを通過し、土星の重力のスリングショット効果を利用して軌道変更と加速を完了することです。安全を確保するため、ボイジャーチームはパイオニア11号がまず土星のAリングを通過し、Aリングの粒子が探査機に損傷を与えるかどうかを判断することを推奨した。議論の末、パイオニアチームはこの計画に同意しました。

しかし、土星のAリングを通過した後、探査機が進むべきルートについて両チームは意見が合わなかった。パイオニアチームは、パイオニア11号が土星の内輪に向かって移動し、直接探査して、これまで議論の的となっていたDリングが存在するかどうかを調べることを望んでいた。ボイジャーチームはパイオニア11号に土星の外輪に向かって移動し、土星のEリングを通過して土星系を離れるよう指示し、将来ボイジャー2号探査機がこのルートを通過する際に土星の外輪の粒子によって被害を受けるかどうかを調べた。

パイオニアチームは、パイオニア11号がボイジャーチームが示したルートをたどると、土星からどんどん遠ざかってしまい、天文学者が興味を持っている高解像度の観測は得られず、土星の内輪を直接検出することはできないと考えていた。ボイジャーチームもまた、自らの提案を主張した。パイオニア11号がこのルートを取らず、ボイジャー2号がこのルートを敢えて取らなければ、天王星と海王星の観測は不可能だろう、というものである。

両者は繰り返し議論したが、どちらも相手を納得させることはできなかった。この問題は、両チームの共通の上位部門であるNASA本部に報告された。 NASA本部はボイジャーチームの提案に同意した。このルートでは土星の内輪の観測や土星自体のより近い観測が犠牲になるものの、ボイジャー2号が天王星と海王星を探査できるようにするためにはその犠牲は価値があったからだ。

NASAの惑星科学部門の責任者がこの決定を発表すると、現場にいたパイオニアチームのメンバーは抗議のブーイングを行った。それにもかかわらず、パイオニアチームはNASA本部の決定を実行しなければなりませんでした。

土星系のフライバイ

1979年7月31日、パイオニア11号は土星の観測を開始しました。当時、ボイジャー1号とボイジャー2号も木星の探査を終え、土星に向かって飛行していました。

土星、その環、レア（土星の右下にある白い点）は、1979 年 8 月 26 日にパイオニア 11 号によって撮影されました。画像提供: NASA

1979年8月29日、パイオニア11号は土星系に入り、イアペトゥス（1,032,535キロメートル離れている）とフェーベ（13,713,574キロメートル離れている）を通過しました。 [2]

1979年8月31日、パイオニア11号はタイタン（666,153 km離れた場所）を通過しました。 [2]同日、土星から150万キロ離れた場所で土星の弓状衝撃波を検出し、土星の磁場の存在を示す最初の観測的証拠を提供した。 [1]

1979年9月1日、パイオニア11号は土星の衛星パンテオン（6,676km離れている）、パンテオン（45,960km離れている）、ディオネ（291,556km離れている）、ミマス（104,263km離れている）[2]を通過し、土星の外輪を越えた平面を通過してAリングに接近した。同日16時29分34秒、パイオニア11号は土星に最も接近した地点に到達した。この時点で土星の雲頂から2万591キロ離れており、速度は秒速31.7キロに達した。

パイオニア11号は土星への接近と離脱の過程で土星系の画像を440枚撮影したが、そのうち約20枚は1ピクセルあたり90キロメートルの解像度だった。 [1] この期間中に、土星のFリングと2つの新しい衛星も発見されました。

パイオニア11号は土星を通過した後、同日にタイタンのX線回折パターン（228,988 km）、テティス（329,197 km）、エンケラドゥス（222,027 km）、パンテオン（109,916 km）、レア（345,303 km）を通過した。 [2]

1979年9月1日にパイオニア11号が撮影した土星とその環の一部。画像提供：NASA

1979年9月2日、パイオニア11号はタイタン（362,962 km離れた場所）を通過しました。撮影されたタイタンの写真の解像度は、1ピクセルあたり最大179キロメートルに達した。画像では、タイタンが表面に大気の特徴のないオレンジがかった黄色の衛星であることが示されています。天文学者たちは、さまざまなバンドの画像に基づいて、タイタンの直径を5,690キロメートルまたは5,760キロメートルと計測した。データはまた、タイタンの雲の上部の温度が約75K（マイナス198℃）であることを示しています。 [4]

タイタンは、1979年9月2日にパイオニア11号によって36万キロの距離から撮影されました。画像提供: NASA

土星の接近通過中、パイオニア11号の赤外線放射計は土星の上層大気の赤外線放射を測定し、電波掩蔽法と組み合わせて、土星の上層大気の温度、構造、その他の特性を判定しました。データによれば、土星​​の平均気温は摂氏マイナス180度程度で、主成分は液体水素なので、生命が存在するには適していない。 [1]

その後、パイオニア11号は土星からEリングに向かって急速に離れました。

1979年10月5日、パイオニア11号は土星系の観測を完了した。

太陽から離れて飛ぶ

土星の重力の影響で、パイオニア11号の軌道は逸れました。その後、太陽系から離れて天の川銀河の中心に向かって飛行し、恒星間ミッションを開始しました。注目すべきは、この探査機がパイオニア10号とほぼ反対方向に太陽から遠ざかっているということだ。

1995年、パイオニア11号は機器に電力を供給できなくなり、NASAは同機の停止を決定した。 1995年11月24日、人類はパイオニア11号との連絡を完全に失った。

パイオニア11号は現在、太陽から約111AU（約166億キロメートル）離れています。太陽に対する現在の速度は秒速 11.182 キロメートルで、現在の星座である盾座の方向に年間 2.36 天文単位の速度で移動しています。 [2] その速度は第三宇宙速度を超えており、将来的には太陽系から脱出することも可能となる。

パイオニア11号にも、パイオニア10号と同じシンボルと模様が刻まれた金属板が搭載されていた。（詳細は「太陽系最前線を開拓するパイオニア パイオニア10号丨惑星周回」を参照）パイオニア10号は木星のみを通過したが、パイオニア11号は土星も通過したため、両者の軌道は異なる。したがって、パイオニア 11 の標識のルート マップは不正確でした。しかし、これは小さな問題です。

2019年、ある人物[5]がガイア衛星が取得した星の位置、速度、方向に関するデータを用いて、約928,300年後にパイオニア11号が矮星TYC 992-192-1を通過し、その最接近距離は0.8光年になると推測した。これは、今後 257 万年間で太陽系が遭遇する最も近い恒星です。

インタールード：スペアパーツからレプリカまで、パイオニアH

1971 年、パイオニア 10 号と 11 号はまだ打ち上げられておらず、パイオニア F とパイオニア G と呼ばれていました。この年、パイオニア チームは、パイオニア G (パイオニア 11 号) の予備として、将来パイオニア H を打ち上げる計画を立てていました。

計画によれば、パイオニアHは1974年に打ち上げられ、1975年7月に木星を通過する予定だった。その軌道面は木星の赤道面と垂直であったため、木星の北極と南極を完全に観測することができた。成功すれば、パイオニア12に改名される。

残念ながら、パイオニアHが打ち上げられる前に、NASA本部はこの計画を拒否しました。その後、パイオニアHは原子力電池が取り外され、パイオニア10号と11号のレプリカとして博物館に展示されました。

パイオニア H は博物館に展示されており、パイオニア 10 とパイオニア 11 のレプリカとして機能しています。画像提供: CamWow

「パイオニア 12」という名前は、1978 年 5 月 20 日に打ち上げられたパイオニア金星探査機に使用され、パイオニア金星 1 としても知られていました。

パイオニア11号が木星を通過した際、木星の赤道面との角度は52度で、木星の北極と南極の一部を観測することができ、パイオニアHの目標を部分的に達成した。その後に打ち上げられた太陽探査機ユリシーズと木星探査機ジュノーは、実際にパイオニアHの軌道モードを実現した。ユリシーズと太陽の赤道面の角度は80.2度に達し、ほぼ垂直である。ジュノーは木星の赤道面に対して完全に垂直（角度は90度）であり、典型的な極軌道探査機です。

パイオニア11号の歴史的貢献

パイオニア11号は土星系を近距離で探査した初の探査機であり、土星系を近距離で探査するという人類の夢を実現した。

土星系に入った後、パイオニア11号のさまざまな機器が土星、その環、衛星に関するデータを取得しました。得られた近赤外線データにより、天文学者は土星の上層大気の温度と構造、およびタイタンの温度を判定することができました。可視光帯域で得られた画像は、当時地球上のあらゆる望遠鏡で得られた画像を上回る品質のものであり、天文学者が土星系の詳細を研究するための最初の貴重な画像となった。得られた土星の磁場に関するデータにより、天文学者は土星の磁気圏と磁場の分布、強度、方向、構造を地図に描き、太陽風粒子と土星系の磁場との相互作用の詳細を決定することができました。近接観測により土星の環に関する豊富な詳細情報が得られ、天文学者が土星のFリングを発見するのに役立ちました。フライバイにより、土星と土星の衛星のいくつかの質量を正確に測定しました。

さらに、パイオニア11号は木星系を近距離で探査した最初の探査機ではなかったものの、より近い距離から木星のより鮮明な画像を取得し、木星の極の画像も初めて取得しました。木星探査により、木星の性質に関する人類の理解がさらに深まりました。

太陽系の惑星と月の探査における無人探査宇宙船の多大な貢献を記念して、アメリカ合衆国郵政公社は、当時の太陽系の「9つの惑星」と月の探査を描いた切手10枚セットを1991年10月1日に発行しました（当時、冥王星はまだ惑星とみなされていました）。この切手セットでは、木星の切手は、木星を初めて探査したパイオニア10号ではなくパイオニア11号とペアになっており、土星、天王星、海王星はすべてボイジャー2号とペアになっています。

私の個人的な意見としては、パイオニア11号とボイジャー2号はそれぞれ木星と土星をより鮮明に観測しましたが、初めて接近してデータを送信したのはパイオニア10号と11号でした。したがって、より合理的な組み合わせは、木星とパイオニア 10 号、土星とパイオニア 11 号、天王星と海王星とボイジャー 2 号となる可能性があります。

1991 年 10 月 1 日に発行されたジュピターとパイオニア 11 号の切手。画像提供: 米国郵政公社

パイオニア11号の成功は、その後のボイジャー1号、ボイジャー2号、カッシーニ・ホイヘンス号による土星探査に向けた最初の貴重な経験も蓄積し、ボイジャー2号による天王星と海王星の探査への道を開きました。特に、土星の環の内部の粒子環境を検証し、ボイジャー2号が将来的に計画された経路を安全に通過できることを保証しました。

パイオニアチームのメンバーは、パイオニア11号がボイジャー2号のために最終探査目標を犠牲にしたことに憤慨していたが、その後ボイジャー2号が天王星と海王星の探査に成功したことで安堵した。なぜなら、パイオニア11号がボイジャー2号への道を開き、これら2つの巨大氷惑星の人類による探査に重要な貢献を果たしたことを彼らは知っているからだ。

参考文献

[1] 詳細：パイオニア11号、https://solarsystem.nasa.gov/missions/pioneer-11/in-depth/

[2] Wikipedia: パイオニア11号、https://en.wikipedia.org/wiki/Pioneer_11#cite_note-Pioneer_11-1

[3]アンドリュー・ルページ、木星の北極の初めての精密観察 – 1974年、https://www.drewexmachina.com/2016/06/28/our-first-good-look-at-jupiters-north-pole-1974/

[4]アンドリュー・ルページ、ボイジャー1号：タイタンとの初の接近遭遇、https://www.drewexmachina.com/2015/11/12/voyager-1-the-first-close-encounter-with-titan/

[5]Bailer-Jones, Coryn AL & Farnocchia, Davide、「ボイジャーとパイオニア宇宙船の将来の恒星フライバイ」、アメリカ天文学会研究ノート、2019年、3、59。この論文の拡張版は、arXiv：1912.03503（で入手できます。
https://arxiv.org/abs/1912.03503)

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

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