はやぶさ2の小惑星フライバイ、さらなる“神”一重に挑戦! 最接近距離は中心から800m

宇宙航空研究開発機構(JAXA)は6月24日、小惑星探査機「はやぶさ2」による小惑星「トリフネ」のフライバイ観測について、記者説明会を開催した。はやぶさ2は2020年12月の地球帰還後、拡張ミッションとして、ふたつの小惑星の探査を計画。トリフネのフライバイ観測は、そのひとつめとなる。最接近は7月5日の18時30分頃(日本時間)となる予定だ。

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  はやぶさ2拡張ミッションチームの三桝裕也チーム長(右)と吉川真准教授(左)

フライバイならではの観測の難しさ

フライバイ(Flyby)観測とは、その名の通り、天体の近くを通過するタイミングで観測を行うことだ。はやぶさ2が小惑星「リュウグウ」で行ったランデブーでの観測と比べると、一瞬で通り過ぎるため得られるデータ量は少ないものの、相対速度をゼロにするランデブーに比べると、消費する推進剤が少なくてすむメリットがある。

ただ、はやぶさ2はもともとランデブー用に開発された探査機であるため、フライバイには必ずしも適していない。最も大きな問題は、観測用のカメラが探査機本体に固定されているため、すれ違いざまにカメラだけ高速回転させる流し撮りはできないこと。本体ごと回る必要があるため、回転速度はどうしても遅くなる。

ここで考え出されたのが、超近接フライバイという手法だ。通常通りに距離を取ってフライバイすると、早い回転速度が必要になり、はやぶさ2では追尾できない。また、はやぶさ2の望遠カメラ(ONC-T)では、遠すぎて観測が難しい。しかしギリギリのところを通過すれば、はやぶさ2の姿勢を大きく変えなくても、直前まで観測が可能なのだ。

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  超近接フライバイでは、最接近時の撮影は諦め、その直前まで観測を行う (C)JAXA

はやぶさ2拡張ミッションチームはこれを、“紙一重”ならぬ“神一重”とも呼んでいる。実際、過去に実施されたフライバイ探査の例を見ても、数百km～数千kmの場合が多く、1kmクラスだと、中国の「嫦娥2号」の例があるくらいだ。

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  過去のフライバイ探査の一覧。世界でもそれほど多くはない (C)JAXA

今回の説明会で初めて明らかになったのは、最接近の距離が800mに決まったということだ。以前は1kmと説明されており、それでもかなり攻めた目標だったのだが、よりチャレンジングになったといえる。これは、はやぶさ2が本来のミッションを完遂した後で、身軽だからできるという事情もあるものの、もちろん数字の裏付けがある。

なぜ800mまで接近できるのか

トリフネの形状は今のところ、長径が800m程度、短径が400m程度と推定されている。中心から距離800mを通過するとなると、つまり小惑星表面からは400m～600mほど離れていることになるのだが、これは決して、余裕のある距離ではない。

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  作ったばかりというトリフネの模型(中央)。左のリュウグウ、右のイトカワの中間サイズだ

トリフネのサイズは、地上からの遠距離観測によって推定されたもので、非常に誤差が大きい。観測結果ごとに推定値には大きな開きがあり、そこまでアテにはならない。チームの吉川真准教授によると、「過去の実際の探査でも、1.5倍くらい予想と違ったことがあった」という。

そのため、最接近距離を決める計算の際には、長径を1,400mと設定。これだと、中心から700m以内が衝突の可能性がある危険領域となる。一方、探査機の制御には誤差があり、通過する可能性がある範囲は楕円で表示されるが、その端っこがギリギリ当たらないよう、目標点を決めた。距離800mというのは、実質的に余裕はほぼゼロなのだ。

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  左下の青いエリアが誤差楕円。3σで計算しており、この範囲内を通過する確率は約99.73%と高い (C)JAXA

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  吉川真准教授(編集部撮影)

三桝裕也チーム長は、「この誤差楕円をいかに縮められるか。それが、これまでの取り組みでの至上命題だった」と述べる。フライバイ用に新たにソフトウェアを開発し、探査機やシミュレータで検証。精度をどのくらい向上できるか、ひたすら繰り返した。800mというのは、「実力がどれほどなのか詰めた結果」だという。

ちなみに、目標点はトリフネの左下方向だが、これにも意味がある。探査機は太陽を背負う形でトリフネに接近するが、太陽は真後ろではなく、20度ほど傾きがある。ここを通過すると地表の影が見やすく、地形を推定しやすいのだ。

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  トリフネフライバイの予想イメージCG(筆者作成)

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  三桝裕也チーム長(編集部撮影)

プラネタリーディフェンスにも貢献

このフライバイ探査では、プラネタリーディフェンス(地球防衛)への貢献も期待されている。地球に衝突する天体が見つかったとき、その対処方法のひとつとして考えられているのが、探査機をぶつけて、軌道を変えることだ(インパクト法)。その実験として、2022年、米国は「DART」探査機を実際に小惑星に衝突させている。

はやぶさ2は今回、小惑星にぶつけるわけではないが、前掲の図を見て分かるように、誤差楕円の長さは300～400m程度。これは、トリフネクラスの小惑星であれば、もし中心を狙うと、確実に当てられる精度を実現していることを意味する。実際に高い精度で通過できれば、その能力を実証したことになる。

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  プラネタリーディフェンス(地球防衛)への貢献も期待される (C)JAXA

また、地球に衝突する天体が見つかったときには、まずは観測用の探査機を送り、その特性を知ることが重要だ。しかし、発見されてから新たに開発していては、何年もかかってしまう。そこで、期待されているのは、すでに飛行中の探査機の進路を変え、その天体に向かわせることだ。これが、緊急調査(fast reconnaissance concept)である。

もちろん、探査機の能力や軌道によっては、その天体に行けない場合もあるのだが、今回のフライバイは、そのひとつの実証実験となる。JAXAプラネタリーディフェンスのチーム長でもある吉川准教授によれば、以前、地球に衝突する可能性がある小惑星が見つかったとき、はやぶさ2が行けるか検討し、可能だという結論を得たことがあったそうだ。

今回のフライバイでは、衝突する可能性は極めて低いものの、その場合に備え、地上望遠鏡によるトリフネ観測も実施する。はやぶさ2がもし激突したら、その衝撃で発生したチリが観測できる可能性がある。チャレンジの結果、万が一ぶつかったとしても、プラネタリーディフェンスの観点からは大きな意味があるのだ。

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  地上からの観測も実施。複数の施設が参加する予定だ (C)JAXA

トリフネの姿が分かるのはいつ?

はやぶさ2は、6月20日から21日にかけて、トリフネの撮影を実施。距離はまだ約700万kmもあり、望遠のONC-Tでもサイズ的には1ピクセルに満たないものの、画像の取得に成功した。トリフネは事前に予測した通りの位置に見つかっており、探査機の軌道が正しいことを裏付けている。

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  はやぶさ2によるトリフネのファーストライト(初観測画像) (C)JAXA、千葉工業大学、日本スペースガード協会

フライバイに向けては、このあとさらに4回の軌道制御(TCM)を行い、誤差を補正する計画。TCM-Aが10日前(6月25日)、TCM-Bが4日前(7月1日)、TCM-Cが1日前(7月4日)、TCM-Dが当日の3時間前となる。

TCM-Dまでは地上から軌道誘導を行うが、その先は探査機の自律制御に切り替える。フライバイの相対速度は、秒速約5.2kmという超高速。一方、地上からの電波が探査機に届くのには、6分程度もかかってしまう。接近時は地上からの制御だと間に合わないため、探査機がONC-Tの画像を見て、自分で目標点に近づくよう制御する。

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  フライバイのシーケンス。地上から誘導するのはフライバイ3時間前まで (C)JAXA

ONC-Tでトリフネの形が見えてくるのは、フライバイの1分前くらいから。秒速約5.2kmで接近するので、1分前でも距離はまだ300km以上あるのだ。ONC-Tはこのとき、ひたすら連写で撮影を行うという。連写の間隔は、最短で1秒ほど。最接近時には視野外となるが、念のため、通過の数分後まで撮影する予定だ。

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  フライバイ時の理学観測。ONC-Tのほか、NIRS3、TIR、LIDARによる観測も行う (C)JAXA

なお、撮影した画像は、残念ながらリアルタイムでは確認できない。中利得アンテナ(MGA)を使い、フライバイ後、数時間から1日くらいかけて、地上へ送信することになるとのことだ。

フライバイ当日、JAXAは15時よりライブ配信を実施する。その結果については、翌日午後の記者説明会で発表される予定だが、探査機が無事通過したかどうかなどは、おそらくライブ配信でも分かるはずだ。配信があるのは、日曜の夕方という、多くの人が見やすい時間。フライバイ探査というレアなイベントを、ぜひリアルタイムで体験して欲しい。