テンペル1号彗星とディープインパクトミッション
ディープインパクト
2005年8月31日
先月7月4日、探査機「ディープインパクト」が、質量410キログラムの銅製の衝突体を放出し、1867年4月にフランスの天文学者エドゥアール・ウィルヘルム・テンペルが肉眼で発見した彗星「テンペル1号」と衝突させたことが明らかになった。
この天体の公転周期は5.5年で、火星と木星の間を回っている。最大径は約6キロメートルと推定されている。NASAは、彗星の構造や内部構造をより詳しく調べるため、このような衝突実験を行う目的で探査機を打ち上げたのである。
以下が軌道の様子である。
火星と木星の間を回るテンペル1号の軌道。太陽に最も近い地点で、水星の軌道が非常に非円形であることがわかる。茶色の軌道の上部には、探査機打ち上げ時の彗星の位置が示されている。青い円軌道は地球の軌道であり、その上部には探査機打ち上げ時の地球の位置が示されている。6か月後（地球の半周）に衝突が発生する。同じ時間内に彗星と探査機が移動した曲線距離を測定してみよう。彗星の方が速いことがわかる。
衝突軌道についての補足。以下のアドレスで、非常に美しいアニメーションが見られる。
http://deepimpact.umd.edu/amateur/where_is.shtml
まず2つのボタンがあり、視点を変更できる。これにより、彗星の軌道が黄道面に対してかなり傾いていることがわかる。
この傾きが、彼女が生存できた理由の一つである。彗星にはさまざまな種類がある。中には「非周期彗星」と呼ばれるものがあり、太陽系に一度だけ訪れて、その後は二度と姿を現さない。実際、太陽系外に位置するとされる巨大な「彗星の雲」の構造については、まだほとんどわかっていない。その起源は何か？ 太陽系が誕生した初期段階では、惑星が形成されていった。その過程で複数のメカニズムが働いた。最も理解しやすいのは「食い違い」、すなわち小さな物体と大きな物体が正面衝突し、大きな物体が小さな物体を質量として取り込む現象である。もう一つのメカニズムは「スイングバイ効果（正の）」である。数学的には「遭遇（encounter）」と呼ばれる（英語由来、気体の運動論から借用）。初期の太陽系は「衝突的」であった。これらの衝突は、すべての天体集団にマクスウェル・ボルツマン速度分布をもたらす傾向がある。これは「多集団系」である。それぞれの集団は熱的平衡に近づく傾向がある。二種類の気体が熱的平衡状態にある混合気体（たとえば太陽を構成するプラズマ）では、各集団の平均運動エネルギーが等しくなる。それらは質量比に比例する。水素プラズマを例にとると、電子は水素核の1850分の1の質量しかない。したがって、電子の熱運動速度は水素イオンの√1850倍、すなわち約43倍速くなる。
「重い種類」と「軽い種類」の混合物は、軽い種類を加速させる傾向がある（「汚れた水蒸気の塊」や「汚れた氷」が原始彗星を形成する）。太陽系は、このような小さな物体を多数放出した。そのうち、太陽からの脱出速度に達したものは、銀河間空間に消え去った。それ以外のものは、私たちの「大規模な郊外」に残存している。この「遭遇」は双方向に作用するが（全体としては小さな物体を加速する）、結果としてマクスウェル・ボルツマン分布の低速側に物質が集まる「負のスイングバイ効果」が生じる。その結果、多くの小さな物体が減速し、たとえば太陽に落下したり、地球のような岩石惑星に衝突して、海の質量を形成する可能性もある。
テンペル1号は、中間的な運命を持つ彗星である。彼女は惑星と同等の速度を獲得した。しかし、幸運にも、傾いた軌道に位置したため、より重い惑星との悪影響を受けるリスクが低くなった。惑星はすべて彼女より重いため、衝突すれば彼女の軌道は確実に歪む。実際、この彗星の軌道は発見以来わずかに変化している。Googleで履歴を確認してみよう。なぜハレー彗星よりガス放出が少ないのか？ 良い質問である。ガス放出のメカニズムについては、彗星の内部構造同様、ほとんどわかっていない。
実際、私たちの地球もガスを放出しており、その現象は「火山活動」と呼ばれる。この活動は、木星による潮汐力によって強化されている（木星がイオという衛星を激しく「こねる」）。イオがこれほど激しく反応するのは、自転しているからである。もしイオが木星と同期して回転していたら、これほど激しい火山活動は起こらなかっただろう。さらに、イオは木星に非常に近い。
彗星のガス放出活動は、自転周期に関係しているのかもしれない。自転する彗星は、惑星の近くに近づいたときに潮汐力の影響を受けやすくなる。実際、彗星が木星の軌道内に入ると、ガス放出が活発になることが観測されている。これは太陽からの放射が増えるためだろうか？ もしガス放出が表面の昇華によるものなら、その通りである。しかし、内部から噴出する噴火なら、そうではない。実際に、ギオット探査機がハレー彗星に接近した際の画像を見ると、噴出源が明確に確認できる。したがって、彗星が太陽系に再び入ってくるときの活動再開が、自転による内部の「こねられ」（潮汐力）に起因している可能性がある。自転周期は計測されているだろうか？
この観点から見ると、テンペル1号は自転が遅いため、潮汐力による内部攪乱が少なく、活動が比較的弱い。つまり、イオの火山活動や彗星のガス放出といった「噴出現象」を引き起こす要因が弱い。ブラシクにこの点について聞いてみよう。惑星科学は彼の専門分野である。
あなたは、さまざまな天体の位置を自由に確認できる。まず、探査機「ディープインパクト」が軌道に乗った後、テンペル1号が接近する様子を示す。衝突の日付が確認できる：7月4日。アメリカ人は、こうした宇宙ミッションの成功を、自国の独立記念日に合わせて行うことで、自らの探査機の軌道制御能力を誇示する傾向がある。この日付は単なる偶然ではない。
アニメーションを注意深く観察すると、実際にはテンペル1号が探査機よりも速く回転しており、探査機を追いついていることがわかる。つまり、衝突するのは彗星が探査機を打ち抜く形である。だが、本質的には問題ない。次の画像は2か月後である。彗星が探査機、あるいはその衝突体に衝突する直前である。
衝突5分前に撮影された彗星の画像である。
彗星。衝突5分前に撮影された画像。
探査機と衝突体