DELPHINUS


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深宇宙超小型探査機「EQUULEUS (EQUilibriUm Lunar-Earth point 6U Spacecraft)」に搭載される「DELPHINUSDEtection camera for Lunar impact PHenomena IN 6U Spacecraft)」は,月面衝突閃光と小惑星の観測を行うことを目的とした,可視光カメラシステムです。「いるか座 DELPHINUS(デルフィヌス)」は,全天88星座のうち20番目に小さな星座ですが,5つの4等星から成る形は美しく,夏の星座の片隅を彩ります。そして,全天で2番目に小さな星座である「こうま座 EQUULEUS(エクレウス)」と接しています。「いるか座 DELPHINUS」は,Dolphin(イルカ)のラテン語で「デルピーヌス」と発音しますが,米国NASAのミッションで打ち上げられますので,本ミッションでは英語の「デルフィヌス」の発音を採用します。EQUULEUSミッションでの愛称(略称)は「デルピー (DLP)」です。
※学術用語としてして使用する星座名は平仮名またはカタカナ表記することが「文部省学術用語集 天文学編(増訂版)日本学術振興会」で定められています(占星術においては,その限りではありません)。

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Left image provided by www.RareMaps.com — Barry Lawrence Ruderman Antique Maps Inc.
Right; Made by using Stella Navigator (AstroArts Inc.)

Mission summary

ミッションの内容

  • 月面衝突閃光の観測(Lunar Impact Flash)

直径がcm〜mのメテオロイド(meteoroid)と呼ばれる惑星間空間の微小天体が,秒速数10kmという超高速で月面に衝突すると,その運動エネルギの一部が可視光から近赤外領域の光として。この発光を月面衝突閃光(Lunar Impact Flash)と呼びます。閃光の継続時間は,0.01〜0.1秒程度と短いため,超高感度のビデオカメラが必要です。月面の表面積3,800万km^2の1/4分程度(半月)をモニターできることから,地上の単点観測でモニターできる空の領域の約100倍以上を一度に見渡すことになり,地球での隕石衝突に匹敵するmサイズの大きさのインパクトフラッシュの観測確率が格段に向上します。また,月面衝突閃光は,地球から見て5〜9等級と月明かりに対して暗いため,月の夜側(月の欠けて暗くなっている部分)でしか観測できません。地球から月面衝突閃光を観測する場合,夜側部分が大きくなる三日月頃の観測条件が良くなります。ところが,三日月の頃は,夜側部分に地球に反射した太陽光が当たるため,うっすらと見える「地球照(ちきゅうしょう)」と呼ばれる現象が背景光となり観測の邪魔になります。

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Left; NASA’s Scientific Visualization Studio Right; Marshall Space Flight Cente

地球から行う月面衝突閃光観測では,

          • 夕方か明け方の三日月頃だと,数時間程度しか連続観測ができない
          • 地球照が約13等級の背景光としてバックグランドを上げてしまう
          • 地球大気による減光の影響を受ける

などの観測の制約やバイアスが生じます。一方,月の裏側の地球-月系ラグランジュL2ハロー軌道に停留するEQUULEUSからは,

          • 長時間連続観測ができる(1回の観測が1日以上になる)
          • 地球照の影響をほとんど受けない
          • 地球大気による減光の影響を受けない

というメリットがあります。一方で,

          • 太陽や地球の直射光の影響を受けやすい
          • 月の明るい部分(昼側)からの迷光の影響を受ける(これは地上観測でも同じ)
          • 地球へ転送データ容量に制限がある

のようなデメリットもあります。これらの対策として,

          • 太陽離角,地球離角が45度以上,月の夜側が全体の1/4以上でかつ月面距離が6万km〜2万kmとなる条件を全て満たす観測時間が十分に確保できる軌道設計
          • 直射光をブロックし,迷光を観測に影響のない程度まで十分除去する遮光フードと迷光除去機能を搭載
          • 月面衝突閃光の候補イベントのみをオンボード計算で抜き出して,地球へ転送する

を行っています。DELPHINUSは,1/3インチCCDを用いて1/60秒おきに間断なくビデオ撮影を繰り返します。電気ノイズや宇宙線などの類似閃光による誤検出をなるべく防ぐ目的で,隣り合った2台のカメラで月面衝突閃光の同時観測を行います。探査機上のDELPHINUS専用FPGA(Field-Programmable Gate Array)とCPUによって,同時刻に同位置に発生した発光を月面衝突閃光候補として自動検出を行い,イベント候補画像のみを地球に送信する仕組みになっています。

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Earth-Moon Lagrange Points (J. C. Conway)

DLPによる月面衝突閃光観測の科学的意義

月面衝突閃光観測で期待される最大の科学的成果は,地球周辺の直径cm〜数10cmサイズのメテオロイド・ダストの個数分布とその時間変化(フラックス)が明らかにされることです。地上の望遠鏡で観測される直径数10mサイズ以上の小天体(小惑星や彗星)の個数分布と,光やレーダーを用いた流星観測で計測される直径μm〜mmサイズのダストを繋ぐ領域を,DELPHINUSによる月面衝突閃光観測で埋めることができます。地球大気圏に突入した場合に金星よりも明るい大火球となるような直径cm〜数10cmサイズのメテオロイドは数が少ないため,観測可能な天空領域が限られた地上観測では非常に稀にしか観測されません。一方,月面全体が月面衝突閃光を通したメテオロイドの望遠鏡代わりになることで,検出確率が数10倍に向上して統計的に意味のある十分な数の観測が可能になります。NASAが口径40cmクラスの望遠鏡を使い約8年間で捉えた月面衝突閃光数(約300イベント)を,口径4cm足らずのカメラを搭載したDELPHINUSによる延べ1ケ月程度の観測(約半年のミッション期間中)で達成できる見積りです。

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John M. C. Plane (2012)

月面上で200個以上のクレーターが新たに同定され,直径が10メートル以上のクレーターの総数が現在のモデルによる予測を33%上回っていることが,NASAのルナー・リコネサンス・オービターによって発表されました(Speyerer et al., Nature 538, 13 October 2016)。現在でも月面にはmサイズのクレーターが形成されるようなメテオロイドの衝突が起きていることが定量的に示されました。月面衝突メテオロイドを定量評価を行うことは,人類が再び月面に降り立ちインフラ整備を進めて行く上で,メテオロイドの月面衝突環境評価や月面衝突予報が欠かせなくなることが予想されます。人類初の「月面衝突閃光の宇宙からの観測」と「月面(裏)衝突閃光の観測」を実現させることが第一目標です。

  • 小惑星とミニムーン (Asteroids & Mini-Moons)

地球に接近する地球近傍小惑星やメテオロイドが地球に近接遭遇した際に,地球の重力に捕獲されて「地球の第二の月」になることが,近年の理論的研究と観測結果から明らかになってきました。これらの天体を総称して,「一時的(地球重力圏)捕獲天体 (TCOs=Temporarily Captured Orbiters)」とか「ミニムーン (Mini-Moons)」と呼びます。地球の月と異なるのは,ミニムーンは,力学的運動中心は太陽でありつつ,地球の周りを回るように運動する天体です。直径が3-6m程度と推定される小惑星2006 RH120は,2006年9月から2007年6月までの1年弱,ミニムーンになっていたことが判明しました。また,2016年には,100年ほど前にミニムーンになったと考えられる直径40-100m程度の小惑星2016 HO3が発見され,今後数百年間も引き続きミニムーンであることが予想されています。理論モデルによると,直径1mのミニムーンは常に2個,10cmサイズだと常に1000個ものミニムーンが存在していることが示唆されています。実際に,ミニムーンが地球大気圏に突入した火球も発見されました。流星の0.1%(1000個に1個)は,ミニムーン由来であるとも言われています。典型的なミニムーンの地球との相対速度(対地速度)は,約2km/sと超低速であるため,探査機によるランデブーが容易であることが明白です。一方,2016年現在,地球近傍小天体(NEOs=Near-Earth Objects; 多くは小惑星)は,約15,000個発見されており,月軌道の内側まで侵入するNEOも毎年のように発見されるようになりました。現在の既知のカタログからも,ミッション期間中にDELPHINUSで観測可能な彗星・小惑星はありますが,観測可能なミニムーンやNEOが発見され次第,臨機応変に対応する予定です。

DLPによる小惑星観測の科学的意義

地上望遠鏡と連携してミニムーンやNEOをDELPHINUSで観測することにより,天体の位置測定から軌道決定に貢献し,明るさの時間変化から自転周期決定に貢献できることが考えられます。ミニムーンやNEOを観測(あるいは発見)するための長時間シャッターモード(露光時間~30秒まで)をDELPHINUSは搭載しています。更に,ランデブー可能なミニムーンやNEOが発見された場合,EQUULEUSがフライバイを試みることも想定されますので,近接撮像を行う際の高速シャッターモード(露光時間1/4000秒まで)をDELPHINUSは用意しています。将来の宇宙資源利用には,ミニムーンやNEOなどが採掘対象になることが有力で,「シスルナ空間(Cis-Lunar region)」に人類の活動範囲が広がり,地球-月系ラグランジュ点が宇宙物資輸送の港として考えられていますので,EQUULEUSミッションは,将来の宇宙資源利用のパイオニア的存在になることが期待されます。

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Left; ESA – P.Carril, Right; K. Teramura, UH, IfA

DELPHINUS開発体制

人類初の「月面衝突閃光の宇宙からの観測」と「月面(裏)衝突閃光の観測」を実現させる「EQUULEUS」搭載「DELPHINUS」への皆様のご声援を,今後ともよろしくお願いいたします。

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