別世界の物質を少なくとも10グラム持ち帰る、5年の旅
日本の火星衛星探査計画「MMX」の探査機が火星に向けて打ち上げられた。目指すのは、火星の衛星フォボスから少なくとも10グラムの物質を採取し、2031年に地球へ持ち帰ることだ。採取した粒子には火星から飛来した破片が混じっている可能性がある。火星からの直接的な試料回収計画が費用や技術面の問題に直面するなか、研究者は火星の物質を調べる機会を得られる。
目次
MMXは10月20日午前4時41分（日本時間）、種子島宇宙センターからH3ロケットで打ち上げられた。米東部時間では10月19日にあたる。探査機は約71分後にロケットから分離し、通信を確立して太陽電池パネルを展開した。
宇宙航空研究開発機構（JAXA）のMMXプロジェクトマネージャー、川勝康弘氏は、分離後の探査機の状態についてこう述べた。
今のところ順調です
JAXAのMMXミッション概要によると、計画では火星の2つの衛星を観測し、先行してローバーを送り込み、フォボスで試料を採取した後、オーストラリアで回収カプセルを回収する。目標は合計で少なくとも10グラムを持ち帰ることであり、着陸地点ごとに一定量を採取できると保証されているわけではない。
MMXは、小惑星イトカワとリュウグウの試料をそれぞれ2010年と2020年に持ち帰った日本の「はやぶさ」計画の成果を基盤としている。今回の目的地では新たな難題に直面する。はるかに大きな火星の重力に引かれながら、小さな衛星の近くで探査機を運用しなければならない。
JAXAの山川宏理事長は打ち上げの成功を宣言し、ミッションの始まりについてこう語った。
5年間にわたる長い旅が、今始まりました
打ち上げからオーストラリア着陸までの予定
MMXは翌年8月に火星へ到着し、その後およそ3年間、火星とその衛星を調査する見込みだ。地球への帰還には、さらに約1年かかる予定となっている。
JAXAのMMXプロジェクトページには、打ち上げを2026年度、火星周回軌道への投入を2027年度、帰還を2031年度とする大まかな日程が示されている。日本の会計年度は4月に始まる一方、より詳細な公開日程では暦年の2031年に地球へ帰還する計画とされている。
- 2026年10月20日（日本時間）：MMXをH3ロケットで種子島から打ち上げ。
- 2027年8月：火星に到着し、観測活動を開始する見込み。
- 2028年末または2029年初め：運用計画ではこの時期に「イデフィックス」ローバーを分離し、その後2029年に探査機が着陸する可能性がある。JAXAの公開ミッション日程では、詳細な観測と試料採取活動を2030年にまとめている。
- 2030年：火星を離れる予定。打ち上げに関する報道では、出発予定月は11月とされている。
- 2031年：試料を積んだカプセルがオーストラリアに着陸し、その後、物質を日本へ運ぶ見込み。
観測計画には、より小さな火星の衛星デイモスも含まれている。MMXは遠方からの観測やフライバイでデイモスを調べる予定だ。詳細な試料採取の対象はフォボスであり、デイモスは探査機による観測を通じて調査する。
なぜ衛星の起源を説明するのは難しいのか
フォボスの直径は約22キロで、火星表面から約6,000キロの高さを周回し、1日におよそ3周する。デイモスはさらに小さく、直径は約12キロだ。どちらも地球の大きく丸い月とは似ていない。
起源を説明する有力な説は2つある。捕獲説では、もとは小惑星だった天体を火星が重力で捕らえたと考える。巨大衝突説では、火星に衝突が起きて物質が宇宙空間に放出され、その一部が集まって衛星になったとする。
暗い表面は原始的な小惑星の一部に似ており、捕獲説を支持する。一方、火星の赤道付近をほぼ円形に回る軌道は、衝突で生じた破片の円盤から形成されたとする説によりよく合う。また、火星の重力は比較的弱いため、通過する小惑星をそのまま捕獲するのは難しい。
NASAの太陽系小天体担当主任科学者、トム・スタットラー氏は、MMXがこれらの説をどう検証するかについて次のように述べた。
火星の衛星を訪れ、間近で調べ、試料を地球に持ち帰ることで、フォボスの物質が小惑星の組成に近いのか、それとも火星を巻き込んだ衝突で生じた破片に近いのかを判定できるようになります
粒子から水と惑星の歴史について何がわかるのか
研究室での測定により、巨大衝突で熱を受けた物質と、古代の小惑星内部に保存されていた物質を見分けられる可能性がある。巨大衝突の痕跡としては、ガラス質の岩石、極度の圧力で変化した鉱物、水など蒸発しやすい物質が失われた証拠が残ることがある。
小惑星起源なら、炭素を豊富に含む物質や粘土、有機化合物が見つかる可能性がある。有機化合物とは、炭素を含む化学物質で、生物の働きに関わるものも多い。研究者は周囲の鉱物とあわせて、その組成や由来を調べる。
水の化学的特徴も手掛かりになる。通常の水素と、その重い同位体である重水素の割合は、太陽系の場所によって異なる。回収した物質に含まれる両者の比率を測れば、その物質がどこで形成されたのかを特定し、岩石惑星に水がどのように届いたかを探る助けとなる。
研究者は、主な2つの起源説に加えて、さまざまな派生説も検証している。ロンドンのインペリアル・カレッジの惑星科学者、ジェイコブ・ケガレイス氏は、小惑星が火星の重力で引き裂かれ、衛星を形成し得る破片円盤ができる過程をシミュレーションした。SETI研究所の研究科学者、マティヤ・ツク氏は、衛星が分裂してより小さな天体として再形成されるサイクルが繰り返された可能性を検討している。
鉱物の年代や宇宙空間への露出による影響を調べれば、こうした歴史の検証に役立つ可能性がある。また、火星周辺で衝突が起きた時期の年表を改善することも期待される。回収した粒子の年代測定により、現在のように地球の月で作られた年代体系を応用する方法よりも確かな基準が得られる可能性がある。
フォボスには火星の破片が集まっている可能性
火星に小惑星が衝突すると、岩石やちりが宇宙空間に飛び散ることがある。フォボスは近くを周回しているため、そうした破片の一部が表面に降り積もっている可能性がある。したがってMMXが採取する試料には、衛星由来の物質と火星由来の粒子が混在しているかもしれない。
国際科学チームを率いる北海道大学の惑星科学者、倉本圭司氏は、試料の約1%が火星由来の物質になる可能性があると見積もる。その割合なら、10グラムの試料に含まれる火星由来の物質は約0.1グラム、つまり100ミリグラムとなる。実際の割合は、研究者が回収した粒子を特定し分析して初めてわかる。
破片の一部は、火星がより温暖で湿潤だった時代に形成された古い岩石に由来する可能性がある。後の衝突で地殻の深部から掘り出されたものもあるかもしれない。比較的新しい火星のクレーターと関連付けられる粒子が見つかる可能性もある。
こうした粒子の特定は容易ではない。非常に小さい可能性があり、もとの場所も不確かで、空気のないフォボスで放射線にさらされたことで変化している。研究者は化学組成、鉱物の構造、年代測定を通じて、その来歴を再構成する必要がある。
極めて弱い重力の世界へ、先行するローバー
フランスとドイツの宇宙機関が提供するローバー「イデフィックス」は、探査機本体の着陸に先立ってフォボスを探査する計画だ。重量は約25キロで、約100日間運用できる可能性がある。
MMXは地表から100メートル未満の高度でローバーを放出する。フォボスの表面重力は地球の1000分の1未満であるため、ローバーはゆっくり降下する。着地時に跳ねたり転倒したりするおそれがあり、走行中も車輪を地面に接地させるため細やかな制御が必要となる。
イデフィックスはカメラや、鉱物と地表の性質を調べる機器を搭載する。観測によって地面が硬いのか柔らかいのかを判断し、危険箇所を特定するとともに、地質学的に有用な情報が得られる場所を選ぶ助けとなる。
探査機本体も、13種類の機器からなる観測装置群のカメラ、ライダー、分光計などを使って地形を調査する。ライダーはレーザー光で距離を測り、斜面や地表の形状を地図化する。分光計は光やその他の放射線を調べ、存在する物質を特定する。
NASAが提供する機器の一つが、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理研究所とローレンス・リバモア国立研究所の研究者が開発したガンマ線・中性子分光計「MEGANE」だ。高エネルギー粒子が地表に衝突して生じる信号を測定し、フォボスに含まれる化学元素の特定に役立てる。
誤差の許されない2つの採取方法
MMXは着陸地点に約10メートルの精度で接近しなければならない。フォボスは地形が不均一で、重力が極めて弱く、その重力環境は火星の影響を強く受けている。探査機は通常の安定した衛星周回軌道に入るのではなく、フォボスの近くを保ちながら火星を周回する「準衛星軌道」を飛行する。
JAXAは最大2回の着陸を計画しており、異なる地形から試料を採取できる可能性がある。特定のフィルターを通して見ると、フォボスには赤みがかった領域と青みがかった領域が見られ、鉱物、衝突、宇宙空間への露出の違いを反映している可能性がある。
コア採取装置は地表から約2センチの深さまで届く。NASAが提供するもう一つの採取装置は、加圧窒素ガスを噴射して、表面の粒子を容器に吹き集める。2つの方法を併用することで、浅い地下の物質と表面のちりを採取できる。
探査機が地表にとどまる時間は数時間と見込まれている。着陸脚は、転倒したり宇宙空間へ跳ね返ったりしないよう、接地時の衝撃を和らげなければならない。またJAXAによると、探査機との通信は信号が往復するまで最大44分かかることがある。
そのため、地球の管制室は降下中に即座に対応できない。探査機は計画した接近経路を進み、急な変化にも対応できるよう、機上の航法・制御システムを備える必要がある。
古代の生命の痕跡をどこまで探せるのか
研究者は、火星由来の粒子が見つかれば、かつて生命が存在し得た環境について手掛かりが得られると期待している。水と関連する鉱物や保存された有機物の化学的特徴から、火星の過去の環境を再構成できる可能性がある。
ミッションの科学チームを率いる倉本氏は、さらに大きな可能性についてこう語った。
砂の試料に、生物活動の化学的痕跡が含まれている可能性はあると思います
衝突時に生命が生き延びられるかを調べる研究は、なぜ研究者がその可能性を検討しているのかを示す。ジョンズ・ホプキンス大学の博士課程を最近修了したリリー・ジャオ氏は、頑健な細菌「デイノコッカス・ラディオデュランス」に、小惑星衝突の一部を再現するよう設計した衝撃を加えた。最も深い海溝の水圧の30倍に達する圧力でも、一部の細菌は生き残った。
この実験が扱うのは、困難な道のりの一段階にすぎない。火星からフォボスへ移動する生物由来の物質があるとすれば、火星からの放出、宇宙空間の通過、着地、長期間の放射線被ばくにも耐えなければならない。MMXの試料を調べる研究者は、地球由来の汚染を慎重に管理しながら、そうした来歴を明らかにする必要がある。
試料分析チームを率いる茨城大学の宇宙化学者、藤谷渉氏は、相模原市にあるJAXA宇宙科学研究所の保護された実験室で粒子を扱うことになると見込んでいる。真空または反応しにくい窒素ガスを使い、研究に向けて試料を保存する。
火星の岩石回収競争とは異なる道筋
NASAの火星探査車「パーサビアランス」は2021年以降、慎重に選んだ火星試料を採取し、岩石や周囲の環境を記録してきた。回収計画は費用の増大と技術的な実現可能性への懸念を受け、議会からの資金を失った。懸念には、採取した試料を火星表面から打ち上げることも含まれる。
MMXは重力がはるかに弱い衛星から試料を採取するという別の道をとる。フォボスで火星由来の粒子が見つかれば、地質学的な来歴がより不確かな物質を研究者が調べられる一方、フォボスの試料は衛星の形成や太陽系内での物質移動に関する独自の問いに答える手掛かりとなる。
中国の「天問3号」ミッションは2028年ごろの打ち上げが予定されており、早ければ2031年に火星から直接試料を持ち帰る可能性がある。日程上、どちらが先に帰還するかは不確定だ。
打ち上げ時の見積もりによるMMXの費用は5億7,800万ドルで、打ち上げ前に公表された3億5,000万ドルの見積もりを上回る。日本の宇宙機開発と試料回収の経験に、海外パートナーの機器、ローバー技術、科学的支援を組み合わせ、5つの宇宙機関が参加している。
オーストラリアで回収した後、JAXAは試料を分類して目録を作成し、研究用に一部を共有する計画だ。NASAのジョンソン宇宙センターには試料全体の15%が提供される見込みだ。MMXがちょうど10グラムを持ち帰れば、その分量は1.5グラムとなる。
日本の過去の小惑星探査は、ごく少量の試料でも大規模な研究につながることを示した。MMXは今、より難しい運用段階を完遂しなければならない。火星へ到達し、未知の地形を調査し、安全に着陸して試料を採取し、地球へ送り届けることだ。ソ連とロシアによるフォボス探査の試みは、2011年に打ち上げられた「フォボス・グルント」など、いずれも目標を達成する前に失敗した。
要点
- MMXは10月20日（日本時間）に種子島から打ち上げられた。米東部時間では10月19日にあたる。
- JAXAはフォボスの物質を少なくとも10グラム、2031年に地球へ持ち帰ることを目指している。
- イデフィックス・ローバーが地表を先行調査した後、探査機はコア採取装置とガス採取装置を使い、最大2回着陸する。
- 回収した粒子は、火星の衛星がどう形成されたのか、水や有機物が太陽系内をどう移動したのかを解明する助けとなる可能性がある。
- 研究者は、試料の約1%を火星由来の破片が占める可能性があると見積もっている。
- 帰還カプセルはオーストラリアに着陸する見込みで、試料は日本で研究された後、国際的に共有される。
