水を求めて木星へ旅する

冒頭の言葉

宇宙飛行士は宇宙でどのように生活するのでしょうか?月と火星の探査ミッションではどんな新しい発見がありましたか?暗黒物質の証拠は発見されましたか?我が国の航空宇宙プロジェクトの成功により、宇宙知識の普及は世間の注目を集め、特に若者の好奇心と知識への渇望を刺激する可能性が高まっています。

宇宙分野の科学知識をより広く普及させるために、『科学普及時報』は中国宇宙科学学会と協力し、宇宙科学の最新の研究の進歩と成果を普及させるための宇宙科学コラムを立ち上げました。定期的に専門家を招き、新たな宇宙ミッション、大規模な宇宙関連機器や施設、将来の計画などに関する科学的背景知識を解説していただきます。同時に、コラムでは宇宙科学の普及活動についても報告し、関連する専門家を招いて宇宙科学の普及に関する経験を共有していただきます。このコラムの司会は、中国宇宙科学学会科学普及委員会委員長であり、中国の航空宇宙科学普及大使でもある劉勇氏です。

4月14日、欧州宇宙機関はフランス領ギアナからアリアネ5ロケットを使用して木星氷衛星探査機（ジュース）を軌道に打ち上げた。探査機の主な目的は、木星とその3つの最大の氷衛星であるエウロパ、ガニメデ、カリストの外側の氷殻の下に隠された液体の水の海を検出することです。

氷の衛星の地殻の下に海はあるのでしょうか?

木星氷衛星探査機は、8年間惑星間空間を旅し、2031年に木星に到着する予定です。木星の軌道に入った後、探査機は衛星から200〜1,000キロメートル以内の3つの氷衛星の近くを通過し、木星の衛星の構造特性と潜在的な居住可能性をこれまでにない詳細さで深く​​調査します。探査機はエウロパ上空を2回飛行し、ガニメデとカリストをそれぞれ12回と21回フライバイし、最終的に少なくとも9か月間ガニメデを周回する予定だ。これは人類が他の惑星の衛星を周回する宇宙船を打ち上げた初めてのケースでした。これまでは、月を周回する宇宙船しかありませんでした。

これまで科学者らは、ボイジャー1号、ボイジャー2号、ガリレオ、カッシーニ、そして現在木星の軌道上でミッションを実行しているジュノーなど、木星への深宇宙探査ミッションを何度か実施してきました。

これらの氷の衛星はかつては単なる死んだ氷の岩の塊に過ぎないと考えられていました。しかし、これまでのいくつかの衛星探査機による木星の氷衛星の探査を通じて、これらの遠方の衛星は実際には惑星に似ており、豊かな地質活動の歴史を持っていることがわかってきました。これは、宇宙における地球外生命の可能性を人類が探査する上で大きな意義を持っています。これまで、生命が居住可能な天体を探す際には、地球と似た歴史を持ち、かつては大気や海があった可能性があると考えられ、火星などの地球型惑星に焦点を当てる傾向がありました。

私たちが最も身近に感じる地球上では、海の底の暗い深淵であっても、海底温泉の熱さえあれば、生命は粘り強く花開くことができるということを、人々は知っていました。そして木星の3つの最も大きな氷の衛星は、極めて重要な手がかりを明らかにした。その氷の殻の下には、液体の水の形の海があるかもしれないのだ。すると、当然の疑問が湧いてきます。木星の遠く離れた氷の衛星の海の底に生命が存在する可能性があるのだろうか？

この目的のために、木星氷衛星探査ミッションが創設されました。地球上の生命から得られた経験に基づき、生命の出現には液体の水、熱源、有機物という3つの基本要素があり、生命が存在するためにはこれら3つの要素が十分長い期間安定して存在する必要があることがわかっています。火星などの地球型惑星と比較すると、非常に遠い木星や土星に太陽から与えられる光と熱は極めて限られています。そのため、これらの巨大惑星とその衛星には液体の水や生命は存在できないと長い間信じられてきました。しかし、ガリレオとカッシーニによる観測を通じて、木星の3つの氷衛星の最外層は厚い氷の殻で覆われているものの、衛星の内核は依然として熱を発生し、この熱源によって氷の殻の下に液体の海が生成され、維持され、現存する生命や絶滅した生命の生息地となっている可能性があることが判明しました。

重力を利用して氷の衛星をより詳しく観察する

木星氷衛星探査機の主な目的は、3つの氷衛星を近距離で探査することであるため、木星周回ミッションの初期段階では、探査機は軌道を絶えず変えて衛星を何度も通過する必要があり、探査機の推進とブレーキに大量の燃料が必要になります。

木星氷衛星探査機の重量は約6トンで、そのうち約3トンが燃料である一方、搭載されている最先端の科学機器10台の総重量はわずか約100キログラムである。木星の軌道に入った後の複雑な軌道変更に対応するために大量の燃料を使わなければならないため、探査機は地球から木星までの時間的余裕を犠牲にしなければならない。つまり、探査機は迅速な惑星間航行に十分な燃料を搭載できないのだ。最終的に採用された妥協案は、長い旅の間に乾いた食べ物がない場合は、食料は天候に頼り、推進力には太陽系の天体の重力を利用するというものでした。したがって、8年間の惑星間航海中、探査機は2024年8月に地球付近に戻り、地球-月系の重力アシストを実施し、次に2025年8月に金星の重力アシストを実施し、最後に2026年9月と2029年1月に2度地球に戻り、それぞれ地球上で2回の重力アシストを実施することになります。つまり、探査機は地球と金星の重力の力を借りてゆっくりと加速しながら、地球と金星とともに太陽の周りを約6年間周回することになる。 2029年に地球からの最後の重力補助を受けると、探査機はようやく十分な速度を得て、2年で木星まで急速に飛行できるようになる。
高エネルギー放射線「弾丸と雨」のテストに耐える

木星の軌道への困難な旅の後、木星氷衛星探査機は、木星付近の空間における過酷な高エネルギー荷電粒子放射線環境という、もう一つの重要な試練に直面することになる。

木星は太陽系の惑星の中で最も強い磁場を持っているため、光速に極めて近い速度の超高エネルギー荷電粒子を大量に捕らえることができ、地球よりもはるかに過酷な高エネルギー粒子放射線環境を作り出しています。地球近傍空間の粒子放射線環境が春の北京の砂塵だとすると、木星の粒子放射線はサハラ砂漠の砂嵐のようなものです。

探査機の主なターゲットであるエウロパとガニメデは木星に近いため、この2つの衛星の軌道は強力な放射線の雨に深く埋もれている。厳しい放射線環境に耐えるために、探査機は木星に最も近い衛星エウロパを2回、最も遠い衛星ガニメデとカリストをそれぞれ12回と21回しかフライバイすることができない。この過程で、探査機に搭載された磁力計や粒子検出器などの機器は、木星の磁場と氷衛星付近の高エネルギー粒子環境を総合的に測定し、さらに木星の強力な磁場と粒子放射環境が氷衛星の表面に与える影響を分析します。これは、衛星の氷の地殻の下に隠れている可能性のある生命を調査する上で極めて重要である。なぜなら、高エネルギー粒子は宇宙船や機器の搭載物を貫通して損傷を引き起こすだけでなく、人間を含む生命体に脅威を与える可能性があるからだ。これは、火星への有人旅行において克服しなければならない大きな困難の 1 つでもあります。

木星を探査した前身の探査機と比べると、この探査機の名前（ジュース）は突然、甘く軽いものになった。しかし、これは将来起こる困難を知らないからではありません。それどころか、木星氷衛星探査機は、探査の危険性を認識した後、厚くて苦い皮を剥ぎ、木星に一杯の甘い水を提供しました。実際、それは木星の極限環境での生命の可能性を探るという、その前任者たちと同じ信念を抱いています。なぜなら、最も暗い深淵であっても、少しの光と熱が与えられれば、生命は粘り強く開花できると人々が固く信じているからです。

乾杯、ジュース！私たちの太陽系の惑星の王、深宇宙の勇敢な探検家、そして広大な宇宙のすべての生命に乾杯。

（著者は中国科学院地質地球物理研究所の准研究員です）