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、銅でできた410キログラムの衝突モジュールを放出し、1867年4月にフランスの天文学者エドワード・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、彗星の内部構造や組成をより詳しく調べるために、彗星に物体を衝突させることを目的として探査機を打ち上げたのである。
以下が軌道図である。
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楕円形であることがわかる。茶色の軌道の上部には、探査機打ち上げ時に彗星がいた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）、衝突が起こる。同じ時間間隔で彗星と探査機が移動した曲線距離を測定してみよう。彗星の方が速く動いていることがわかる。
衝突軌道に関する補足情報。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、視点を切り替えることができる。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。
これが彼女が生き残った理由である。彗星にはさまざまな種類がある。いわゆる「周期彗星」は、太陽系内を一度だけ通過し、その後は二度と姿を現さない。実際、太陽系の外側に位置する巨大な「雲状の領域」、すなわち彗星の貯蔵庫の構造については、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の正面衝突で、大きな物体が小さな物体を質量に取り込ませる現象である。もう一つのメカニズムは「正のスイングバイ効果」である。数学的には「遭遇」（英語でencounter、気体運動論から借用）と呼ばれる。初期の太陽系は「衝突的」であった。これらの衝突は、すべての天体群にマクスウェル・ボルツマン分布に似た速度分布を生み出す傾向がある。これは「多種族系」のシステムである。各群はそれぞれ熱平衡に近づこうとする。二種類の気体が熱平衡状態にある混合気体（たとえば太陽のプラズマ）では、各群の平均運動エネルギーは等しくなる。それらのエネルギーは質量比に比例する。水素のプラズマを例に取ると、電子は水素原子核の1850分の1の質量である。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43倍速くなる。
「重い種」および「軽い種」の混合物は、軽い種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、多数の小さな物体を宇宙空間に放出した。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。他のものは、私たちの「大規模郊外」に残った。これらの「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させる。その結果、マクスウェル・ボルツマン分布は低速側に偏る。多くの小さな物体は減速し、太陽に落下したり、私たちの惑星のような地球型惑星に衝突し、あるいは海の質量を形成する可能性がある。
テンペル1号は、中間的な運命を持つ彗星である。彼女は惑星と同程度の速度を獲得した。また、幸運にも、傾いた軌道に位置したため、より重い惑星との衝突のリスクが低くなった。そうした衝突は、彼女の軌道を確実に歪めてしまう。実際、この天体の軌道は発見以来わずかに変化している。Googleの歴史データで確認できる。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。ガス放出の詳細についてはほとんどわかっていないし、彗星の内部構造についてもほとんど不明である。
実際、私たちの惑星もガスを放出しており、この現象は「火山活動」と呼ばれる。この活動は、木星の潮汐力（イオに作用する）によって強化されている。イオがこれほど活発な火山活動を示すのは、自転しているからである。もしイオが巨大惑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が、自身の自転周期に関係している可能性がある。自転する彗星は、惑星の近接による潮汐力により敏感になる。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、内部からの噴火によるものなら、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ときの画像を見ると、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進入する際の活動再開が、自転による内部の潮汐攪乱と関係している可能性がある。自転が激しければ、その攪乱も強くなる。この自転周期は測定されているだろうか？
この観点から、テンペル1号は自転が遅いため、比較的活動が少ない。つまり、潮汐攪乱の影響を受けにくく、イオのような火山活動や彗星のガス噴出といった現象を引き起こしにくい。ブラシクに聞いてみよう。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設定できる。まず、探査機「ディープインパクト」が軌道投入後に接近するテンペル1号の姿を確認しよう。衝突の日付がわかるだろう。7月4日である。アメリカ人は、こうした宇宙探査の偉業を、自国の独立記念日にちなんで記録し、探査機の軌道制御の高度な技術を示したいと考えている。この日付は偶然ではなく、独立記念日と一致している。
アニメーションをよく観察すると、実際にはテンペル1号が探査機より速く回転しており、探査機を追いついていることがわかる。つまり、彗星が探査機に衝突するのであり、逆ではない。しかし、本質的には問題ではない。次の画像では、2か月後である。彗星が探査機に衝突する、あるいはその衝突を実現するために分離される物体に接近している。
以下は、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。
探査機と衝突モジュール
衝突モジュールにはカメラが搭載されていた。
衝突190秒前、クローズアップ。明るい点はガス放出源と一致するだろうか？
接近中の衝突モジュールを描いた芸術的イメージ（盾型）