太陽系の端の検出: 人類の宇宙理解への新たな窓

太陽系は、太陽、8 つの主要な惑星、約 500 個の衛星、120 万個を超える小惑星、多数の準惑星、彗星、太陽の強い重力の影響下にある惑星間物質から構成される巨大な天体システムです。すべての天体は太陽の周りを回っています。

太陽系図

人類の深宇宙探査能力が継続的に向上するにつれて、宇宙を理解する手段はますます豊富になり、その範囲は広がっています。太陽系の境界の探査は、人類の宇宙活動の重要な方向となり、人類が宇宙を理解するための新たな窓となっています。太陽系の境界はどこにあるのでしょうか？国境を越えた新しい世界とは？太陽系の境界に到達するには、どのような困難を克服する必要がありますか?

太陽系の境界はどこにあるのでしょうか？

1977年、米国はボイジャー1号と2号の探査機を打ち上げ、予定されていた惑星探査ミッションを完了した後、太陽系の端へと向かい始めました。 2012年8月、ボイジャー1号は太陽から約121AU（1AUは太陽と地球の平均距離で、1.5×108キロメートル）、地球から約190億キロメートル離れた太陽圏を飛び出し、星間空間に入った最初の探査機となった。その後、ボイジャー2号は2018年12月に太陽圏界面を通過し、恒星間空間に入りました。

ヘリオポーズと星間空間はどちらも太陽系の境界に関連する概念です。それらはどういう意味ですか?太陽系の端は私たちからどれくらい遠いのでしょうか？

科学者たちは太陽系の境界について3つの定義を提案している。 1 つ目は、太陽から海王星まで伸びる、直径約 30AU の惑星軌道に基づいており、これが最小の境界です。

この境界は固定されていません。 2006年、国際天文学連合は冥王星を惑星グループから除外し、これにより太陽系の大きさは約3分の1に縮小した。 2016年、科学者たちはカイパーベルトの6つの天体の異常な軌道を発見し、そこに9番目の惑星があるのではないかと推測した。将来この惑星が実際に観測されれば、太陽系の境界は大きく広がることになるだろう。

2 番目の定義は、2 人の「旅行者」が到着した場所でもある太陽圏の上部に基づいています。

人間による太陽と宇宙の観測によれば、太陽は超音速の荷電粒子の流れを継続的に放出し、宇宙空間を吹き抜ける太陽風を形成している。一方、広大な宇宙は、さまざまな原子、分子、塵などの低温の星間物質で満たされています。太陽風は星間物質を吹き飛ばしながら徐々に減速し、最終的に平衡に達します。このプロセス全体は、太陽が天の川銀河に磁化されたプラズマの「大きな泡」を吹き出すようなもので、この大きな泡が太陽圏です。

太陽活動の周期的な強度の変化の影響を受け、太陽風の強度は常に変化しているため、太陽圏の形状と範囲は固定されていません。太陽系の境界は太陽圏によって定義され、太陽から約 80 ～ 150 AU の距離にあります。ボイジャー1号と2号がここに到達するまでに約40年かかりました。

3 番目の定義は太陽の重力範囲に基づいています。太陽圏の外にも、太陽の周りを回る広大な天体が存在します。この境界は太陽から約 50,000 ～ 100,000 AU 離れています。最も遠いのは、彗星がいっぱい詰まった「大きな倉庫」であるオールトの雲です。重力境界は太陽系の最大の境界であり、太陽から 1 光年離れています。

太陽系は非常に広大で、太陽系と他の恒星系の間には、まばらな中性粒子、プラズマ、宇宙塵、その他の恒星間物質で満たされた、さらに広大な恒星間空間が存在します。 2013年3月、ボイジャー1号は近傍空間のプラズマ密度が40倍以上増加していることを検出し、科学者はボイジ​​ャーが太陽圏から飛び出して星間空間に入ったと結論付けた。

人類の未知の世界に挑戦し、無限の境界を探求する

現在までに人類は何千もの宇宙船を宇宙に打ち上げており、そのほとんどが地球を周回しています。 100機以上の探査機が地球・月系から飛び立ち、太陽、その他の惑星、小天体の探査に当たっており、少数の探査機が太陽系の端までさらに長い旅に出ている。それらはパイオニア10号、11号、ボイジャー1号、2号、そしてニューホライズンズです。

パイオニア10号と11号はそれぞれ1972年と1973年に打ち上げられました。パイオニア10号は、火星と木星の間の小惑星帯を初めて横断し、木星を通過して木星の重力を利用して加速し、1983年に海王星の軌道から飛び出しました。エネルギー制限のため、2003年に地球との通信が切断されたとき、パイオニア10号はすでに太陽から80AUの距離まで飛行しており、天の川銀河の中心から遠ざかり続けていました。

パイオニア11号は1974年に木星を通過し、木星の重力を利用して土星まで飛行し、その後土星の環と海王星の軌道を通過して天の川銀河の中心に向かった。 1995年に地球との通信が途絶え、太陽から43AUの距離にある。

パイオニアたちの探検のおかげで、航海者たちの旅はよりスムーズに進みました。ボイジャー1号は木星と土星を相次いで訪れ、土星の環とタイタンの大気の詳細な探査を行った。 2025年まで地球との通信をサポートできる3つの核電池を搭載しており、次の恒星「バブル」に入るまでさらに4万年間、恒星間空間を旅することになる。

ボイジャー2号はもう一つの伝説的な体験をしました。幸運にも、176年に一度起こる「四星巡り」の時期を捉え、木星、土星、天王星、海王星を同時にフライバイ検出することができた。

ニューホライズンズ探査機は今世紀に打ち上げられ、2006年に軌道に乗り、2015年に冥王星を通過した。年間3.4AUという高速で飛行しており、わずか24年で2030年に太陽圏の端に到達すると予想されている。これは人類史上最速の探査機です。

太陽系の境界は非常に遠く、非常に寒く、非常に暗い。それは謎と未知に満ちており、現在の人類の技術的能力の限界です。太陽系の境界にも重要な秘密と宝物が隠されています。これは、銀河宇宙線による潜在的な被害から太陽系を守る最初の「防衛線」であり、太陽系の初期からの情報を保存しています。

太陽圏における太陽風の伝播と進化のメカニズムは何ですか?惑星間塵の雲は生命の誕生と太陽系の始まりについてどのような手がかりを秘めているのでしょうか?太陽系の境界の探査は人類が宇宙を理解するための新たな窓を開くことになり、その答えは今後徐々に明らかになるでしょう。

太陽系の境界を探査するにはどのような技術が必要ですか?

太陽系の境界を探査するには、航空宇宙技術に対する要求がさらに高まります。極限環境下における材料、機器、電子部品等の基礎技術の向上、軌道設計、新たな高効率エネルギー・推進技術、超長距離計測制御通信、新たな科学搭載物等の先端宇宙技術のブレークスルーが必要です。

太陽系の境界を探査することは長く時間のかかる作業であるため、一方では探査機のエネルギーシステムが長期にわたって安定した動作を維持できる必要があります。一方、太陽から遠ざかるほど探査機が得られる太陽エネルギーは少なくなるため、極端に暗い状況下での電力供給の問題を解決する必要があります。

現在、原子力電池はエネルギー問題を解決する重要な手段です。原子力電池は自律的に電気を生成し、エネルギー密度が高く、耐用年数が長いという特徴があります。放射性同位元素熱電発電機 (RTG) は現在比較的成熟しており、プルトニウム 238 を原料として使用しています。原子力電池の半減期は88年と長い。ボイジャー1号と2号の電源寿命は40年以上です。原子力電池の重要な方向性は、同位体電源よりも強力で安価な宇宙原子炉電源を開発することです。将来この技術が成熟すると、検出器の全体的な性能が向上するでしょう。

探査機は数十億キロメートルを飛行し、深宇宙追跡、制御、通信システムのおかげで、現在も地上との途切れることのない接触を維持している。このシステムは探査機の飛行を効果的に制御し、貴重な科学データを継続的に地球に送信することができる。検出器が地球から遠ざかるほど、通信信号は弱くなり、遅延も長くなります。これには、より効率的なチャネルコーディング技術の設計、超長距離での極めて弱い信号の捕捉と追跡におけるブレークスルー、そして地球の測定および制御能力が太陽系をカバーし、ミッションの実施を効果的にサポートできるようにするための大口径地上アンテナアレイと高出力送信機の開発が必要です。

長期にわたる飛行検出では、検出器の寿命にも高い要求が課せられます。地球を周回する衛星の寿命は通常10年から15年です。深宇宙探査機は、何十年にもわたって過酷な宇宙環境で飛行し、活動する必要があり、材料、部品、システムの自律管理、障害診断および処理技術の使用にさらに厳しい課題をもたらします。これらの問題は段階的に解決する必要があります。

太陽系の境界には未知の領域が多く存在しており、探査機には多様な機能と強力な性能が求められ、先進的で豊富な科学的ペイロードを搭載し、多種多様な要素の検出を行うことが求められています。科学ペイロードは、検出精度と範囲、高感度、軽量小型化の面で継続的に改善するだけでなく、消費電力を最小限に抑え、データを圧縮して検出器が最大限の価値を発揮できるようにする必要があります。

太陽系の境界の探査には、複数の最先端分野における多数の技術的課題が含まれており、人類の航空宇宙技術能力を新たなレベルに引き上げ、科学技術レベルとイノベーション能力の新たな向上を達成することになります。 （著者：楊 思瑞）