さらば、土星探査機「カッシーニ」──研究者が語る、その「最期」と活躍の軌跡

米航空宇宙局（NASA）の土星探査機「カッシーニ」は、1979年に初めて土星に接近したパイオニア11号、1980〜81年のヴォイジャー1号・2号フライバイに続き、土星に送られた4つ目の探査機である。97年に打ち上げられ、2004年に土星の周回探査を開始したカッシーニは、17年9月15日に土星に衝突することで、13年間にわたる探査計画を終える。

そこで、カッシーニのデータを基に土星の大気を研究している米ハンプトン大学の惑星科学者・佐柳邦男准教授に、「土星の謎」に関する発見の軌跡と、カッシーニが役目を終える「最後の瞬間」について訊いた。

佐柳邦男｜KUNIO SAYANAGI
米ヴァージニア州にあるハンプトン大学の惑星科学准教授。主な専門は惑星科学と大気力学。土星の北極付近に存在する正六角形のメカニズムを解明した。ハンプトン大学では教鞭を執るかたわら、マイノリティの学生のサポート、またサイエンスを一般の人々に伝える活動にも力を入れている。

──まず最初に、土星探査機カッシーニの成果を振り返りたいと思います。これまでの成果のなかで最も重要な発見について、改めて教えていただけますか。

土星の衛星「タイタン」の地表に液体のメタンがあり、大きな湖ができていることが発見されたことです。そして衛星「エンケラドゥス」からは間欠泉が噴き出ていて、地下深くに液体の水がある証拠が見つかったというのが大きな発見だと思います。

──佐柳さんご自身も、カッシーニのデータを使った研究をされています。個人的にはどのような成果がありましたか。

個人的にはやはり、2010〜11年にかけて土星で起きた大きな嵐を見つけたことです。あれは本当に運がよかった。というのも、この類の嵐は、だいたい30年に一度しか起きないことがわかっていたんです。前回の嵐は1990年。その期間を考慮すると、次に起こる大嵐はカッシーニが任務を終えたあとの2020年のはずでした。

メカニズムこそわかっていないものの、土星の北半球に大きな嵐が現れるというのは、長期的な地上観測に基づいた見解でした。記録に残る最初の嵐は1876年。そしてそのあと1903年、33年、60年、90年と続いて、次は2020年ごろだろうと予想されていた大嵐が、10年も早く起きたのです。

──確かにそれは大きな発見でしたね。そもそも、どのような経緯で探査機のミッションに興味をもたれたのでしょうか？

ぼくが大学院に進学したのが2001年。博士課程を終えたのが07年ですから、博士論文の研究を始めたころにはカッシーニの土星への到着が念頭にありました。そこで土星の大気を研究テーマにしようと決めたんです。ぼくの博士論文は「1990年に起きた土星の嵐の解析」。博士課程を終了するまでに、嵐についてかなり勉強しました。

そして10年に同じような嵐が起きたとき、その重要性がすぐにわかったんです。個人的なタイミングとして、これ以上にないほど運がよかったと思いますね。当時はちょうど、カッシーニの最期をどうするかについての議論がなされていたのですが、どうにか20年に起きるはずの嵐まで燃料をもたせることはできないかと模索されているころだったんです。

──では当初の予定では、カッシーニは20年まで頑張らせるはずだったと？

その考えを支持する声もあった、ということです。ですが、10年時点で嵐が起こってしまったので、わざわざ長もちさせる必要性はなくなったと。嵐ひとつのお陰というわけでもないのですが。

──それもひとつの要素だったということですね。

探査機の軌道を燃料を使わずに安定させるには、その軌道半径を大きくし、土星の衛星の重力の影響から切り離さなくてはなりません。タイタンやエンケラドゥスの重力の影響を受ける軌道だと、おそらく遠くない将来、これらの衛星に衝突してしまうでしょう。

そうすると何が問題なのか？ 実はカッシーニは殺菌されていないんです。タイタンやエンケラドゥスに衝突してしまうと、原子力電池の熱源が衛星表面の氷を溶かしてしまい、地球の生命が生き残れる環境をつくり出してしまう恐れがあります。

──なるほど。地球由来の微生物汚染を防ぐために、土星に衝突させることにしたということですね。

そうです。タイタンやエンケラドゥスは生命を育む可能性がありますから。ですので、カッシーニの最終ミッションのシナリオは2つありました。土星から大きく離した軌道に乗せて気象衛星のようなかたちで土星のみを観測するか、もしくは思い切り近づいて最終的に土星に衝突させるかのどちらかです。

──衝突させることで、大気圏突入時に殺菌できるということですね。

それに加え、ガス惑星である土星には地表が存在しません。土星には、地球の微生物は生き残れる条件が揃っていないという点も重要です。

──どこに衝突させるかは、もう決められているのですか？

赤道の近くと決まっています。燃料の残量が少ないので、燃料系の数値が間違っている可能性を考えて、最小限の燃料で土星に突入できる場所として赤道が選ばれました。

──カッシーニの土星突入によって、どのようなことがわかるのでしょうか？

イオンニュートラル質量分析計が搭載されているので、超高層大気の組成がわかります。地球でいうと低軌道衛星の少し下ぐらいの高度です。それくらいだと低密度の空気分子が少しあるので、高層大気の組成がわかるんですね。一般にいう「天気」があるのは対流圏ですが、それよりもはるか上層なので、天気の情報がわかる見込みはありません。

──大気圏突入時、カメラなどの観測機器はどのくらい持続するのでしょうか？

観測機器はだいぶもつんですけれど、それ以前にデータが送れなくなってしまいます。画像データはファイルが大きいので、高指向アンテナを使う必要があります。このアンテナは正確に地球に向ける必要があるのですが、大気摩擦の影響でアンテナがブレてしまうと、こちらでデータを受信できません。

大気に突入時、カッシーニは燃え尽きるかなり前に大気摩擦の影響で制御姿勢ができなくなり、制御不能のきりもみ状態で落ちていくと予想されています。ですので、地球で受信するデータが途切れるのはカッシーニが燃え尽きるときではなく、コントロールを失うときだと考えられます。姿勢制御のデータは最後まで送信し続ける予定なので、そのデータから大気摩擦の大きさと高層大気の密度を測ることができます。

──土星から地球に何かを送信するまで、どの程度の時間がかかるのですか？

光の速度で進む電波は、土星まで片道約80分で到達します。コマンド送信から受信までには3時間弱ほどです。ちなみにデータ転送速度は365kbps。現在のブロードバンドよりもはるかに遅いですが、カッシーニが打ち上げられた20年前は56kbpsモデムが主流だったことを考えれば、すごいと思います。

画像が撮れても送信する時間がないので、土星突入時はカメラを使う予定はありません。最期の画像観測は衝突の1週間くらい前ですね。

──カッシーニからは、これまでどれだけのデータが送られてきたのでしょうか？

2015年時点で444GBの容量だったので、現時点では500GBを超えるほどだと思います。

──500GBだと、いまの時代では大したことがないように感じてしまいますね（笑）

打ち上げは1997年だったので、95年ころのコンピューターの技術でつくられていると考えていただければわかりやすいかもしれません。Windows 95の時代です（笑）。しかも宇宙用途のCPUは一般用途の2～3年遅れのものを使用している。それで500GBほどのデータを収集したというのはすごいことです。

──カッシーニがミッションを終えたあとの、佐柳さんの今後の研究予定をお聞かせください。

衛星を使った研究なら、金星の大気をリモートセンシングによって観測している「あかつき」から公開されてるデータの解析がメインになるかと思います。「あかつき」は、ぼくの専門分野にいちばん合っている探査機なんですよね。ほかにも地上からの観測やハッブル宇宙望遠鏡を使ったデータの解析、それにモデリングなど、やることはたくさんあります。

──では最後に。われわれ人類の宇宙探査に向けた、佐柳さんの夢は何でしょうか？

「夢」というレヴェルであれば、太陽系のすべての惑星に最低ひとつずつ、周回軌道から継続的に観測できる探査機がほしいですね。天気は変わるものですから。地球の気象や気候というのも、周回衛星からの時間変化によるさまざまなデータを集めることで理解できたことも多いのです。ただ土星のスナップショットを撮って、「ハイ、土星とはこういうものです」とはいきませんからね。

ですが、こういった壮大な「夢のプロジェクト」は、ひとつの国では到底無理な話です。NASA、ESA、JAXAなど、すべての宇宙探査機関を合わせた国際協力が必要になってくると思うのです。

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TEXT BY SANAE AKIYAMA