人類から最も遠い探査機が地球に文字化けした暗号を繰り返し送信している

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2023年12月12日、NASAはボイジャー1号探査機の3つの搭載コンピューターのうち1つであるフライトデータシステム（FDS）が故障し、まるで「動かなくなった」かのように、 1と0の特定の組み合わせの文字化けしたコードを地球に繰り返し送信し始めたと発表した。

ボイジャー1号のコンセプトマップ（画像提供：NASA）

FDS は、科学機器からのデータとボイジャー 1 号の状態に関するエンジニアリング データを収集するために使用され、これらのデータはパッケージ化されて、FDS のサブシステムであるテレメトリ変調ユニット (TMU) によって 1 と 0 のバイナリ形式で地球に送り返されます。

現在、ボイジャー1号は地球からのコマンドを受信して​​実行することはできますが、科学的および工学的なデータを地球に返すことはできません。障害発生後、ボイジャーチームは再起動して障害発生前の状態に戻そうとしましたが、ボイジャー1号は依然としてデータを正常に返すことができませんでした。
ちょうど2022年5月には、ボイジャー1号の姿勢制御システム（AACS）も故障し、ミッションコントローラーに送信されたデータが探査機の実際の状態を反映していなかった。その後、エンジニアリング チームは問題の原因を発見し、指示に従って AACS の正常な機能を回復しました。

ボイジャーの機器（画像提供：NASA）

ボイジャー1号が1977年に打ち上げられて以来、エンジニアたちは計画を立てるために数十年前の文書を精査する必要があった。予期せぬ結果を避けるために、新たに開始されたコマンドがボイジャー1号の運用にどのような影響を与えるかを判断する必要があります。

さらに、ボイジャー1号は現在地球から240億キロ以上離れており、地球から送信されたコマンドが到着するまでに22.5時間かかります。つまり、エンジニアリング チームは、コマンドが正常に実行されたかどうかを判断するために、ボイジャー 1 号からの応答を受け取るまで 45 時間待たなければなりませんでした。エンジニアリングチームは解決策を見つけるのに数週間かかるかもしれないと述べた。

すべては「4つの星がつながる」ことから始まります

1965 年、カリフォルニア工科大学の航空学博士課程の学生だったゲイリー・フランドロは、NASA のジェット推進研究所 (JPL) でパートタイムで働いていました。彼は、1970年代後半から1980年代前半にかけて、木星、土星、天王星、海王星が地球と長い弧を描くであろうことを発見した。

この偶然の一致は、宇宙船が各巨大惑星を通過するときに、その重力によって速度が上昇することを意味します。フランドロー氏は、このような重力補助を繰り返し行うことで、地球と海王星間の宇宙船の飛行時間を30年から12年に短縮できると計算した。この惑星の合は 176 年に 1 度しか起こらないので、この機会を逃さないようにしなければなりません。

NASA は、この 100 年に一度のチャンスを活かすため、ボイジャー 1 号とボイジャー 2 号という 2 機の同一の宇宙船を設計し、1977 年の夏に 15 日以内に打ち上げました。これ以前には、重力を利用して別の惑星に到達した宇宙船はマリナー 10 号のみでした。ボイジャーは複数の重力アシストを必要とするだけでなく、誤差範囲を数十分以内に抑える必要があり、それがいかに難しいかがわかります。

マリナー10号（画像提供：NASA）

これらの課題に対処するため、 NASA のエンジニアはボイジャーのコンピューターに 69 キロバイトのメモリを搭載しました。 「ボイジャーのコンピューターのメモリは車のキーホルダーよりも小さい」とJPLの惑星科学者リンダ・スピルカー氏は語った。新しい画像を撮影するのに十分なメモリを確保するために、ボイジャーは地球に送信するたびに古いデータを削除する必要があります。

データはボイジャー内部の8トラック磁気テープ記憶装置に保存され、冷蔵庫の電球と同程度の電力である23ワットの送信機によって地球に送り返される。送信機の電力不足を補うために、両方のボイジャーは信号を送受信するための幅約3.66メートルの皿型アンテナを搭載している。

偉大な旅

ボイジャー1号は打ち上げから546日後の1979年3月に木星に到着した。ボイジャー2号も、異なる飛行軌道をたどって同年7月に到着した。これらには、赤、緑、青のフィルターを使用してフルカラー画像を撮影する光誘導カメラが装備されています。

ボイジャーが木星から3〜4か月ほど離れたとき、木星の最初の写真が送信されました。この写真では、木星の3番目に大きい衛星であるイオがオレンジと黒で写っていますが、これはまったく予想外のことです。科学者たちは、太陽系の衛星はすべて単調な色で凹凸があるものだとずっと信じてきたが、ボイジャーは木星と土星の周りの色鮮やかな衛星の景観をすべての人に目撃させた。

ボイジャー1号が撮影したイオの画像（画像提供：NASA）

ボイジャーは合計で木星とその衛星の写真を33,000枚以上撮影した。科学者たちはこれらの写真を通じて、イオには地球の10倍の火山活動レベルを誇る活火山があり、最大の火山の噴出高度はエベレストの30倍であることを発見した。エウロパは厚さ約100キロメートルの割れた氷の殻で覆われています。

土星の近くで、2 機のボイジャーは別々の道を歩みました。ボイジャー1号は土星の環を突進し、タイタンを通過し、その後太陽系の惑星面から脱出した。ボイジャー2号は天王星と海王星に向かって単独で航行を続けた。ボイジャー1号は、天の川銀河内の星間空間に入る前に、最後の一連の画像を撮影しました。

1990 年のバレンタインデーに、ボイジャー 1 号はカメラを太陽系内部に向け、最後の 60 枚の写真を撮影しました。これらの中で最も記憶に残るのは、天文学者カール・セーガンが「ペイル・ブルー・ドット」と呼んだもので、これまでに撮影された地球の最も遠い写真（61億キロメートル以上）です。カメラの光学系から反射した強い太陽光によって画像全体が不明瞭になっているため、地球は画像内でほとんど見えず、1 ピクセルも占めていません。

「淡い青い点」（画像提供：NASA）

星間空間への飛行

ボイジャーは毎日3～4光秒ずつ飛行します。ボイジャーと地球との唯一のつながりは、NASA の深宇宙ネットワークです。これは、地球が自転する間、宇宙船との継続的な通信を提供する、世界中に 3 つの追跡複合施設があるネットワークです。

ボイジャーが私たちから空間的にも時間的にも遠ざかるにつれて、その信号は弱くなります。地球はテレビや携帯電話などあらゆるものが騒音を発する騒々しい場所です。その結果、ボイジャーからの信号を受信することがますます困難になってきています。これらの信号は極めて弱いものの、それによってもたらされた発見は天文学者の予想をはるかに上回るものでした。
すべての星と同様に、太陽は太陽風を構成する荷電粒子と磁場を継続的に放出しています。太陽風は、膨らんだ風船のように極超音速で太陽から吹き出し、天文学者が太陽圏と呼ぶものを形成します。ボイジャー以前、科学者たちは、いわゆるヘリオポーズと呼ばれる星間空間の端までの距離について、大きく異なる推定値を持っていました。

1993年、物理学者ドナルド・ガーネットは、太陽圏界面までの距離は116～117天文単位（AU、1AUは地球から太陽までの平均距離を指し、1億5000万キロメートルに相当）であると計算したが、彼の意見は同僚に認められなかった。地上チームは、ボイジャーが太陽圏の最上部に到達し、太陽圏の磁場とは異なる方向にある星間磁場を検出するのを待っていました。

ボイジャーと太陽圏（画像提供：NASA）

2012年8月25日、ボイジャー1号はついに太陽圏界面を通過したが、その距離はガーネットの推定と基本的に一致していた。また、科学者が予想していたプラズマ密度の急上昇も検出したが、周囲の磁場の方向の変化は検出されなかった。ボイジャー2号が2018年11月に恒星間の端に到達したときも、同様に変化を検知できず、到着のタイミングはどの理論モデルの予測とも一致しなかった。
したがって、ボイジャーは理論物理学者に実際の磁場データを提供し、太陽圏と星間空間の相互作用の理論モデルをより完全かつ複雑なものにします。さらに、これらの星間探査機は、太陽圏に関する最も基本的な疑問の 1 つである「太陽圏の外部から観測した場合、太陽圏の構造はどのようなものか」という疑問に科学者が答えるのにも役立ちます。
現在、ボイジャー号で正常に機能している機器はますます少なくなっています。

これらの機器はすべて同じ装置によって駆動されており、プルトニウムの放射性崩壊によって発生する熱を電気に変換します。出力電力が年間 4 ワット減少したため、NASA は電力削減モデルを採用せざるを得ませんでした。数年前、エンジニアたちはボイジャー宇宙線検出器のヒーターをオフにしました。

「ボイジャー」のタイムライン（画像提供：NASA）

たとえ将来のある日、ボイジャー1号が完全に沈黙した状態になったとしても、その旅は続くでしょう。 16,700年後には、地球に最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリを通過する。その後、数百万年にわたって天の川銀河を周回し続けることになります。たとえ太陽と地球が存在しなくなったとしても、それは天の川の周りを回り続けるでしょう。

おそらく、将来のある時点で、星間空間の非人間生物が、ボイジャーから送られた最後のメッセージ、「ゴールデンレコード」を受け取ることになるでしょう。ゴールデンレコードを通して、生徒たちはボイジャー号がどこから来たのか、地球上の生物、光景、音、文化について学び、元アメリカ大統領ジミー・カーターからのメッセージも聞きます。
「私たちは、直面している困難を解決し、いつの日か天の川銀河の文明社会に加わることができるという希望を抱き、このメッセージを宇宙に送ります。この記録は、私たちの希望、決意、そして善意を、広大で畏敬の念を抱かせる宇宙全体に広めるでしょう。」

「ゴールデンレコード」（画像提供：NASA）

参考文献

[1]https://blogs.nasa.gov/sunspot/2023/12/12/engineers-working-to-resolve-issue-with-voyager-1-computer/

[2]https://www.smithsonianmag.com/smart-news/nasas-voyager-1-is-glitching-sending-nonsense-from-interstellar-space-180983448/

[3]https://www.nasa.gov/missions/voyager-program/voyager-2/engineers-solve-data-glitch-on-nasas-voyager-1/

[4]https://edition.cnn.com/2023/12/13/world/voyager-1-computer-issue-scn/index.html

[5] グローバルサイエンス、2022年8月：「ボイジャー：最後の別れ」

企画・制作

出典: Global Science (id: huanqiukexue)

黄玉佳著

編集者：王夢如