はやぶさ2、小惑星で史上初のレーザー測距実験に成功

日本の探査機はやぶさ2が、探査の「初」の記録にまた一つ新たな項目を加えた。7月5日（日）、同探査機は小惑星トリフネにレーザー光を照射して反射信号を捉えることに成功し、小惑星に対して史上初となるレーザー測距実験を完了した。宇宙航空研究開発機構（JAXA）がこのマイルストーンを確認した。これは、はやぶさ2が拡張ミッションの最初の目的地であるトリフネをフライバイしている最中に実施された。

この成果は単なる技術的な珍事ではない。レーザー測距は、光パルスが表面に到達して戻ってくるまでの時間を計測することで機能し、運用者に距離を直接決定し、天体の物理的性質を遠隔から探る手段を与える。JAXAによれば、この実証は、地球近傍小惑星（NEA）やその他の深宇宙天体への将来ミッションに備える同機構および他国の宇宙機関の技術者の能力を強化するものだという。

実績ある高度計に基づくマイルストーン

実験は、はやぶさ2のLIDARレーザー高度計、通称LALTに依存していた。この機器は、JAXAの月周回探査機かぐやに搭載されたLIDAR高度計の派生型であり、小型小惑星周辺での運用という大きく異なる要求に適応させたものである。

LALTは距離測定だけを目的として設計されたわけではない。その設計により、小惑星の密度と空隙率の決定を助け、表面の反射率を記録し、浮遊する塵粒子——小型天体から持ち上げられ表面上方を漂う微細な物質——を探査することも可能である。

この機器はすでにミッションの古参である。はやぶさ2の航法において重要な役割を果たし、探査機が以前に調査した小惑星リュウグウの表面地形に関する大量のデータを収集した。その以前の成果により、チームはトリフネとの遭遇に適応させるための十分に理解されたツールを手にしていた。

小さな岩粒への2回の照射

タイミングがすべてだった。レーザーは午後6時29分（太平洋夏時間午前2時29分、東部夏時間午前5時29分）に2回照射され、最初のパルスはトリフネのフライバイの56.5秒前に、2回目は57.5秒前に放たれた。はやぶさ2は最初の照射時には約20キロメートル（12.5マイル）離れており、2回目は約15キロメートル（9.3マイル）離れていた。

どちらの瞬間も、探査機は秒速5.3キロメートル、時速約18,000キロメートル（秒速3.3マイル、時速11,185マイル）で移動していた。ビームは強く集束されているため、トリフネの小さな部分のみを照らし、その範囲は約30メートル（100フィート）と23メートル（75.5フィート）であった。

この速度、距離、狭いビームの組み合わせにより、ミッションチームが事前に対処しなければならなかった障害が生じた。

• レーザーは、探査機が時速数千キロメートルで通過する中で、小さな目標に照準を合わせなければならなかった。
• その目標に命中させるには、精密な姿勢制御と軌道制御が必要であり、探査機の向きと経路を厳しい限界内に保つ必要があった。
• 表面からの微弱な反射が背景ノイズに紛れないよう、機器を構成する必要があった。
• 全体のシーケンスは、遭遇前にミッションチームによる広範な準備を必要とした。

これらの準備は、1回だけでなく両方の試行で報われた。JAXAは、測距が成功した際にレーザーが照らした領域と、使用可能な結果を返さなかったパルスのフットプリントを並べて示す画像を公開した。

深宇宙でレーザー測距が難しい理由

光で距離を測ることは、原理的には単純に思える。パルスを送り、往復時間を計測し、2で割る。しかし実際には、深宇宙ではこの技術を身近な場所で日常的にする助けが失われる。そこには測定を固定する基準物体が存在せず、正確な測距を確保し解釈することがかなり難しくなる。

地球上や地球近傍軌道では、運用者は既知の目印、地上局、衛星航法信号に頼って作業を確認できる。小惑星で単独運用する探査機は、自らの機器、自らの時計、そして狭いビームを不規則で回転する天体上に維持できるほど優れた姿勢制御システムに依存しなければならない。だからこそ、トリフネの成果は漸進的な改善ではなく「初」として扱われている。

この実証が切り開くもの

実験の価値は主に、ハードウェアとそれを支える運用について何を証明したかにある。

• 直接測距は、精密な距離と幾何学が最も重要となる接近時に、探査機の航法を鋭くできる。
• レーザーの反射は表面反射率に関する情報を運び、科学者が地形や物質の種類を区別するのに役立つ。
• 他の測定と組み合わせることで、測距は小惑星の密度と空隙率の推定を支え、内部構造と歴史への重要な手がかりとなる。
• 敏感な反射は浮遊塵を明らかにする可能性があり、これは小型天体が物質を放出し再分配する仕組みを形作る現象である。

すでに何年も深宇宙で過ごしてきたはやぶさ2にとって、7月5日の試験は、拡張ミッションが主要目的の完了後も長く新しい科学を生み出し続けられることを思い起こさせるものでもある。トリフネはその拡張段階の最初の目標であり、フライバイはチームに、これまで小惑星で試されたことのない技術を検証する機会を与えた。

この成功は日本を超えて響く。レーザー高度測定と測距は国際探査コミュニティ全体で共有されるツールであり、小惑星での検証済みの実証は、より多くの探査機が地球近傍および深宇宙の目的地へ送られる中で、他の技術者に機器設計と運用手順の基準を与える。

今のところ、見出しになる数字は小さい。幅わずか23メートルの岩の部分を照らしたビームが、時速18,000キロメートルで移動する探査機から約15キロメートル離れた地点で照射され、反射信号が数秒差の連続2回の試行で捉えられた。これがJAXAが「初」と呼ぶ測定であり、今後さらに多くの模範となるだろう。

この記事はPhys.orgの報道に基づいています。元記事を読む。