太陽系の外から太陽系を観察するための宇宙船が計画中

2024年4月3日

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太陽系の端は太陽圏とそのヘリオポーズ（太陽圏界面）によって定義される。ヘリオポーズは、星間物質が吹き出す太陽風を止める領域を示す。しかし、ボイジャー1号とボイジャー2号の2機しかヘリオポーズに到達したことがない。そのため、ヘリオポーズの範囲やその他の性質について、科学者たちは不確かなままである。

一部の科学者は、この領域についてもっと知りたいと考えており、この領域を探査するミッションの構想を練っている。

太陽圏は、強力な超新星爆発からの放射線のような銀河宇宙放射線の侵入を防ぐ盾であり、太陽系で重要な役割を果たしている。ヘリオポーズは、ヘリオスフィアの防御力の限界を示す。ヘリオポーズを超えると、銀河宇宙放射線は遮られなくなる。

太陽圏とヘリオポーズの形と範囲について、全体的な理解は得られていない。新しい研究では、この領域を越えて必要な答えを見つける探査機を設計することで、この問題に対処しようとしている。

この研究は、Frontiers in Astronomy and Space Sciencesに掲載された「Complementary Interstellar Detections from the Heliotail」である。筆頭著者は、ミシガン大学気候宇宙科学工学科のSarah Spitzer博士研究員である。

「このようなミッションがなければ、私たちは金魚のように内側から金魚鉢を理解しようとしているようなものです」とSpitzer氏は言う。

ヘリオポーズは銀河宇宙放射線からその内側のすべてを守っている。ボストン大学の研究科学者で、この研究の共著者であるMarc Kornbleuth氏は、「太陽圏がどのようにして宇宙飛行士や生命全般を有害な銀河放射線から守っているのかを知りたいのですが、シールドの形すらまだわかっていない現状では、それは難しいことです」と語った。

シミュレーションによると、この画像は、太陽圏がどのような形になりうるかの3つのモデルを示している。左：彗星のような形。真ん中：クロワッサン型。右：より流線型の彗星のような形。

太陽圏の形状は、太陽の太陽風と局地星間物質（LISM）との相互作用から生まれる。LISMはプラズマ、塵、中性粒子でできている。LISMはプラズマと塵と中性粒子でできている。LISMの中の2つの雲が我々の宇宙空間を支配している。他にも、AQL雲と青い雲という2つの雲が近くにある。これらの雲は、LISMがより濃い領域である。

科学者たちが直面している問題は、太陽圏の外に出なければ、太陽圏の形とLISMやその雲との関係について多くを知ることができないということだ。ボイジャー1号と2号は、これほど長く太陽圏を離れ、熱狂的な期待を大きく上回ったが、彼らは終わりに近づいている。彼らの観測機器は以前のようには機能しないし、そもそもこれらの宇宙船は1970年代に作られたものだ。その後、技術が進歩したことは言うまでもない。

必要なのは、太陽圏を好きな時に好きな場所から離脱できる、目的に応じた宇宙船なのだ。もちろん、それは非常に長い旅であり、途中で他の科学的目標を達成することになる。しかし、惑星を調査するために送り込まれ、単なる頑固さでLISMに到達した探査機ボイジャーとは異なり、この探査機は主にヘリオポーズを探査するように設計されている。

この図は、NASAの探査機ボイジャー1号とボイジャー2号が太陽圏の外にいることを示している。ボイジャー1号は2012年8月に太陽圏を出た。ボイジャー2号は2018年11月に別の場所から脱出した。(Credit: NASA/JPL-Caltech)

「将来の恒星間探査ミッションは、われわれの故郷である太陽圏を外から本当に見る最初の機会となり、局所星間媒質における太陽圏の位置づけをよりよく理解することになるだろう」と主執筆者のSpitzer氏は語った。

このアイデアは以前からあった。2021年、科学者たちはそのような探査機のためのミッションコンセプトを開発した。その探査機は「Interstellar Probe（星間探査機）」と呼ばれ、LISMへの50年にわたる旅に出発するという。彼らは、「……生命を宿した星系を外から初めて真正面から眺めることができる」と述べた。2036年に打ち上げられ、ピーク時には年間7天文単位で移動する。これは年間約10億kmに相当する。

2021年の提案と今回の提案の決定的な違いは、この出口点である。2021年の提案では、探査機は「形状を特徴づけるためにヘリオポーズを側面からとらえ、できれば地球黄道座標で（北緯7°、東経252°）のヘリオポーズ先端方向から45°ずれた付近でとらえる」とされていた。

この新しい論文の著者は、Interstellar Probeチームは出口地点を間違えたと言っている。「しかし、この報告書では、ヘリオテールの鼻、つまり太陽の方向運動の前方から45度付近の軌道が最適であると仮定している」と彼らは書いている。Spitzer氏らはこの問題を検討し、異なる結論に達した。彼らは、探査機の軌道を鼻側から尾側まで6通り調査した。その結果、サイドビューが最適であるという結論に達した。

「自分の家がどれくらい奥まで続いているのか知りたい場合、玄関を出て歩道から写真を撮るのは最良の選択ではないでしょう。一番いいのは、横のドアから出て、前から後ろまでの長さを見ることです。この見晴らしの良い場所は、最高の科学的結果をもたらし、太陽圏の形状を見ることができるでしょう」と共著者のKornbleuth氏は言う。

「太陽圏の形状を理解するには、ヘリオテールを理解することが必要です。Interstellar Probeミッションは、ヘリオテールを通過する軌道に沿って、側面から測定する理想的な機会である。

この軌道を追跡するには、もう一つ説得力のある理由がある。研究者たちは、磁気リコネクションによってLISMからのプラズマが尾部から太陽圏に入るのではないかと考えている。もしそれが本当なら、探査機はLISMを2回サンプルすることができる。

研究チームはまた、太陽圏の外側に2つの探査機を送ることも提案した。ひとつはノーズワード軌道、もうひとつはヘリオテールワード軌道である。そうすることで「太陽圏の形状をより完全に把握し、LISMとの相互作用をより理解することができる」と研究チームは論文で説明している。