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「はやぶさ2#」の旅路から、惑星间尘の分布の検出に成功

― 狈础厂础の探査机が観测して以来约半世纪ぶりの成果 ―

 

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東京都市大学(東京都世田谷区、学長:三木 千壽)の津村耕司准教授、関西学院大学(兵庫県西宮市、学長:森 康俊)の松浦周二教授、九州工业大学(福岡県北九州市、学長:三谷 康範)の佐野圭助教、瀧本幸司支援研究員、および、JAXA「はやぶさ2」ONCチームでつくる研究チームは、小惑星探査機「はやぶさ2」が2020年12月6日の地球帰還後、別の小惑星へ向かう拡張ミッションの航行中に黄道光観測を実施し、内惑星領域における惑星間塵の分布を計測することに成功しました。この成果はSpringer Nature社の発行するEarth, Planets and Space誌に、8月22日付で掲載されました。

惑星间尘は太阳系内を浮游する小さな尘(ダスト)であり、太阳系内に存在する最小の天体です。それらがどこで形成され、太阳系内をどのように移动しながら分布しているのかを探ることは、太阳系の进化史を探る上で重要です。本成果は惑星间空间を航行する「はやぶさ2」探査机の光学カメラを利用して黄道光を长期间観测する(図1)ことで、地球近傍からの黄道光観测では得られない惑星间尘の分布情报の取得に成功しました。

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概要

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黄道光は、我々の住む太陽系内に漂う惑星間塵が太陽光を散乱することで生じる淡い光です(図2)。惑星間塵は太陽系内に存在する最小の天体であり、それがどこで形成され、太陽系内をどのように移動しているのかを黄道光の観測を通して探ることで、惑星や小惑星の研究とは別の側面から太陽系のダイナミックな変化を知ることができます。本研究では、「はやぶさ2#」 (「はやぶさ2」拡張ミッション ※1)において、2021年から2022年にかけて、搭載の光学航法望遠カメラ(ONC-T)により日心距離0.76 auから1.06 au (※4) の範囲で黄道光の観測を成功させ(図3)、太陽系の内惑星領域における惑星間塵の分布情報が得られました。今回の観測で地球近傍での惑星間塵の濃度がべき乗則(※5)に従うことが明確に示されました(図4)。観測されたべき指数が示す惑星間塵の濃度は、惑星間塵の太陽への落下のみを考慮した标準的な理論と比べて、太陽に近づくほど予測より濃くなることを示してします。この結果は、惑星間塵の太陽への落下についての新たな物理があるか、地球近傍で惑星間塵が生成されるなどの知られていない天体現象があることを示唆しています。これは地球近傍からの黄道光観測では得られない情報であり、惑星間を航行する「はやぶさ2」を用いたからこそ達成できた成果です。これは、1970年代にPioneer 10号?11号とHelios A号?B号というNASAの探査機が黄道光を観測して以来、約半世紀ぶりの成果となりましたが、当時と比べて観測装置の性能は格段に向上しており、解析手法も洗練されています。この観測結果はこれらの先達と同様に、太陽系進化の理解にとって必要な惑星間塵の分布と移動を制約する重要な観測結果として、今後長く引用されることになるでしょう。

本成果は「はやぶさ2拡张ミッション」における最初の科学成果となりました。従来の惑星探査ミッションの多くでは、探査机が目的の天体に到着するまで、観测装置を温存するのに対して、日本の惑星探査机では「のぞみ」、滨碍础搁翱厂、贰蚕鲍鲍尝贰鲍厂など、そのクルージング期间を积极的に利用した「クルージングサイエンス」が长らく実施されてきており、本成果も新たな一例となりました。特に今回は「はやぶさ2」探査机を、工学的な制约を乗り越えて「惑星间空间を航行する天文台」として活用し、天文観测を実现することで、天文学?惑星科学?宇宙工学の学际的协调という、まさに日本の宇宙科学を象徴する成果を挙げたと言えます。

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研究の背景

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本研究グループは、「宇宙背景光」の観测を通して、初期宇宙での星形成史を探る研究をかねてよりおこなっています(ロケット実験颁滨叠贰搁-2や超小型卫星痴贰搁罢贰颁厂など)。宇宙背景光観测の最大の不定性要因は、前景の明るい黄道光であるため、その不定性を低减させるために黄道光観测に着手しました。一方で、黄道光自身も、太阳系の构造进化や物质输送を理解する上で重要な観测対象であり、特にその太阳系内における黄道光の分布は、その観测の难しさから新たな観测结果が求められていました。

黄道光とは、惑星间尘による太阳光の散乱光を视线方向に重ねあわせたものです(図2)。従来の黄道光観测は、地球の公転轨道からの観测が主であったため、「手前」と「奥」で散乱された光が重なってしまい、惑星间尘の空间分布を得ることができませんでした。そのため、尘が太阳系内でどのように分布しているかを理解するには、地球から离れてさまざまな场所から黄道光を调べることが必要です。本研究グループはかねてより「はやぶさ2」が小惑星に向かう航行中に黄道光を観测できれば、惑星间尘の分布を直接的に検出できると主张し続けており、「はやぶさ2」が无事に地球へ帰还してメインミッションを终えたのちの「拡张ミッション」にて、その観测を実现させることができました。

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研究の社会的贡献および今后の展开　

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今回の成果は「はやぶさ2#」における最初の科学成果であり、クルージング観测におけるミニマムサクセスを达成したものであるため、「はやぶさ2#」の価値をさらに高めることに贡献しました。

この成果を受け、「はやぶさ2」探査機による黄道光観測(およびより発展的な観測)は今後も引き続き継続され、特に2028年に予定されている地球スイングバイ以降は、地球公転軌道の外側(1-1.5 auの範囲)での黄道光観測の実現を目指します。さらに、将来の惑星探査機による黄道光観測も検討されています。

今回の成果は、惑星间尘の研究だけでなく、黄道光に埋もれた远方の银河や初期宇宙から来る微弱な宇宙背景光を観测するためにも役に立ちます。本成果のメンバーを含む国际研究チームでは、2023年冬に打上げ予定の狈础厂础ロケット実験颁滨叠贰搁-2や将来の惑星探査机により、黄道光や宇宙背景光をさらに详しく観测する予定です。

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用语解説

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※1　小惑星探査机「はやぶさ2」:
2014年12月3日に打ち上げられ、地球に接近する軌道を持つ小惑星リュウグウからのサンプルリターンに成功した小惑星探査機。2020年12月6日の地球帰還後は、「はやぶさ2」拡張ミッション(「はやぶさ2# [シャープ]」)が開始され、2026年の小惑星2001 CC21のフライバイ、2027年、2028年の2回の地球スイングバイを経て、2031年に小惑星1998 KY26に到着する予定です。本成果はそのクルージング期間中に得られたものです。

※2　黄道光:
惑星间尘(※3)が太阳光を散乱することによって、黄道に沿った领域がほんのりと光る现象を黄道光と呼びます。地球上でも暗い场所では、日没后や日の出前に黄道光を肉眼で见ることが可能です。

※3　惑星间尘:
太阳系内を漂う尘(ダスト)。小惑星同士の衝突や彗星からの放出などによって宇宙空间に放出されています。惑星间尘は现在も、毎日100トンほど地球に降り积もっていると见积もられています。

※4　日心距离
太阳からの距离のこと。単位は一般的に地球と太阳の平均距离に由来する距离の単位である补耻(天文単位)が用いられる。
1 au = 149,597,870,700 m (約1億5000万 km)

※5 べき乗則
ある観測量が別の観測量のべき乗に比例する関係。物理法則をはじめ、多くの自然現象や社会現象はべき乗則で記述できます。本研究では、惑星間塵の個数密度 n が太陽からの距離 r のべき乗則に従う、つまりn(r)∝r-α(αをべき指数という)の関係がなりたつことを示し、べき指数を正確に決めることができました。

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共同研究者

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津村耕司(東京都市大学)、松浦周二(関西学院大学)、佐野圭(九州工业大学)、岩田隆浩(JAXA/総合研究大学院大学)、矢野創(JAXA/総合研究大学院大学)、北里宏平(会津大学)、瀧本幸司(九州工业大学)、山田学(千葉工業大学)、諸田智克(東京大学)、神山徹(産業技術総合研究所)、早川雅彦(JAXA)、横田康弘(JAXA)、巽瑛理(ラ?ラグーナ大学)、松岡萌(産業技術総合研究所)、坂谷尚哉(JAXA)、本田理恵(愛媛大学)、亀田真吾(立教大学)、鈴木秀彦(明治大学)、長勇一郎(東京大学)、吉岡和夫(東京大学)、小川和律(JAXA)、白井慶(神戸大学)、澤田弘崇(JAXA)、杉田精司(東京大学/千葉工業大学)

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【论文の详细情报】

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