2016/1/10

月探査レビュー
月探査の主目的は科学か?
国立天文台 RISE月惑星探査検討室
並木則行

2016年1月10日(日)はじめに• これからの月探査において科学は主目的になるのか？(並木 → 橋本先生)• そもそもこれまでの月探査だって科学が主目的だったのか？(橋本先生→並木)• 科学成果を中心に• もしや利用できるアイデアがあるかも？(温故知新 by田中智)
米国の火星探査機パスファインダーはエアバッグを使って軟着陸したが...

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目次
1. アポロ計画以前のミッション• 発見の時代

2. アポロ計画における月科学の進展• 月科学を超える成果

3. アポロ計画以降の月探査• 多国化・多目的化

4. これからの月探査• ポストISSの政治主導と国際協力

I. アポロ計画以前の月探査～発見の時代～
打上げ

科学成果

ルナ1号

1959年1月2日

月近傍を通過。世界初の人工惑星になる。

ルナ2号

1959年9月4日「晴れの海」に命中。月に初めて人工物を送り込む。

ルナ3号

1959年10月7日

世界で初めて月の裏側を撮影。

ルナ9号

1966年2月3日

世界初の月面軟着陸。着陸地点は「嵐の大洋」。

ルナ10号

1966年4月3日

世界で初めて月の人工衛星になる。

ルナ16号

1970年9月20日「豊かの海」に軟着陸。岩石の標本を採取後、9月24日無事に帰還。

ルナ17号

1970年11月17日「雨の海」に軟着陸し、世界初の月面車ルノホート1号が活動する。

ルナ24号

1976年8月18日「危機の海」に着陸し標本を地球へ送る。ルナ計画最後のミッション。

旧ソビエトの月探査2

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ルナ3号：月裏側の撮像• 距離 63,500 kmから初めて月裏側の画像を取得• 画像は不鮮明，しかし，表側と際立った違い二分性の発見• フィルムカメ
ラ+自動現像装置+スキャ
Mare Crisiumナ• カメラはワイド(f = 200 mm)と望遠(f = 500 Mare Smythiimm)

Mare Moscoviense

Tsiolkovsky Crater
Mare Ingenii

ルナ10号：月周辺環境の計測• 7種の観測機器
ガンマ線スペクトル計，三軸磁力計、流星物質検出器、放電カウンター、赤外線観測装置、X線検出器、荷電粒子検出器• 磁場は存在しない、もしくはごく弱い• 表面の岩石は玄武岩に類似• 大気は存在しない• 月の重力異常32016/1/10

ルナ16号：サンプルリターン• 20号，24号と続く3回の採集の第一回目
16号：101 g
20号：30 g
24号：170 g• ドリルコア ～ 2 m (20号)• 年代は34億年(16号)，34-36億年(24号)• アポロサンプルとの質的な違い
無人サンプル採集と有人サンプル採集の相違

米国の月探査• ひとえにアポロ計画のため• 最初は失敗の連続• 戦略的(同時並行，短期間の連続打上げ)4

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パイオニア 0～4号
• 目的：
磁場計測
赤外放射計測月裏側の観測• 5機はいずれも月に到達せず

レインジャー 1～9号
• 目的：
弾道軌道(月への到達)
質量測定クローズアップ画像• 1～6号は失敗• 7～9号は月にハードランディング
7号：Mare Cognitum
8号：Mare Tranquillitatis
9号：Alphonsus crater• 科学成果クレーターの飽和
Floor-fractured crater, cinder cone
LTP (Lunar Transient Phenomena)

レインジャー8号撮像のSabine，Ritterクレタ－5

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サーベイヤー 1～7号
• 目的：アポロ計画の準備(1)
着陸技術開発• 科学成果1, 3号：Oceanus Procellarum
5号：Mare Tranquillitatis， Mg-rich + Alpoor，アルファ散乱表面分析→玄武岩
6号：Sinus Medii
7号：Tycho Crater (highland)，higher Al +lower Mg than #5 analysis → anorthosite(contradiction to Urey’s theory)
赤：ルナ，青：アポロ，
黄：サーベイヤー

ルナオービター 1～5号•

目的：アポロ計画の準備(2)
周回軌道
表面のマッピング•

搭載機器
高解像度カメラ，紫外線・赤外線撮影カメラ，放射線計測，磁場計測•科学成果
1～3号：赤道軌道，boulder，lineamentsなど
4号：表と裏の95 %，Orientale basin
5号：解像度 2 mと20 m, Copernichus, Tycho,
Arithtarchus, Marius Hills (volcanic activity)
The Geologic History of the Moon
[Wilhelms et al., 1987]

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II. アポロ計画の月探査～月科学を超える成果～• 「惑星科学」の台頭• 11号(1969年7月20日)から17号(1972年12月11日)まで，13号を除く，6回の着陸• 有人探査15号：宇宙飛行士に地質巡検のトレーニング
16号：宇宙飛行士に火山地形のトレーニング
17号：最初で最後の地質学者(シュミット)が参加

スコット船長のトレーニング風景

II. アポロ計画の月探査～月科学を超える成果～•11号：Mare Tranquillitatis
地震計(月震は稀)，レーザ反射板•

12号：Oceanus Procellarum•

14号：Fra Mauro

ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiment Package)Fra Mauro層；Imbriumからのeject
ALSEP

•

15号：Mare Imbrium
Highland/mare境界，ハドリー峡谷・アペニン山脈
ALSEP

•

16号：Descartes Highlands
ALSPE
Impactこそ月の地質の主要因•

17号：Mare Tranquillitatis
ALSEP
30 kmの踏査, 120 kgのサンプル

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アポロの科学成果：
地震計• 11, 12, 14, 15,16号が月震計を設置• 14号で active月震探査• 観測時間は通算8年10ヶ月• 12,558回の地震記録• (地球)地震に比べてノイズは少ないが，散乱が強い
P波，S波の同定は困難→ 統計処理• Next: ネットワーク (特に裏側)？
• 1000 km以深は分からない
Weber et al. [2011] Science,331, 309-312

アポロの科学成果：
レーザ反射板• 物理秤動観測• マントル深部に低粘性・高密度の層が必要 → オーバーターン• Next: 劇的に精度を上げるためには大型反射板を設置する or 地上の大型望遠鏡を利用する or 桁違いに強力なレーザ

Matsumoto et al. [2015] GRL,
DOI: 10.1002/2015GL065335

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アポロの科学成果：
熱流量測定• 15,17号での測定データ• 地形の影響が大きい• 地震ネットワーク以上に多点の観測が必要

上：ALSEP
下：日本周辺の熱流量分布

軌道上から輝度温度測定 → Chang’E-1

モデル熱流量と実測値の比較．X：15
号，O：17号[Siegler et al., LPSC2013].

アポロの科学成果：
重力異常• Lunar Orbiter (表側)と15, 16号の小型衛星(赤道域)• Muller and Sjogren, 161 (3842): 680-684

Sjogren,1977, Phil. Trans.,
Ser. A, 285, 219-226.

質量異常は表面にあると仮定
スプライン関数で近似• 内部構造に関する重大なヒント

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アポロの科学成果：
元素組成(X線，g線)，ダスト• 周回機から(赤道域)X線とg線を観測
残念ながら赤道域のみ• 浮遊ダストアポロの科学成果：
サンプルリターン(I)• 11号：40 kg , high Ti• 12号：low Ti, KREEP• 14号：impact-melt breccia (high-P phase)• 15号：green glass• 16号：impact melt
• 17号：black-and-orange glass

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サンプルリターン：
地域性• 角礫岩には種々のサンプルが含まれる...？
• 月面はFHT，PKT，SPAに三分される• アポロサンプルは領域の境界から収集されている• PKTの組成を反映している

Giguere et al. (2000) MaPS 35, 193

サンプルリターン：
月隕石• アポロサンプル 400 kgに対して，100個，38 kg• 全球からのサンプリング(PKT ~ 15 %)少なくとも56箇所から裏側からのサンプル：Dhofar 489• 年代

荒井，2009，地球化学
43, 169-197.

アポロサンプル 38 ~ 32億年
月隕石 43.5 ~ 28.7億年• 裏側，深部からのサンプル，urKREEP

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アポロ計画の影響：
惑星探査の開花• 火星探査1973.11.3 マリナー10号
1975.8.20, 1975.9.9 バイキング1, 2号• 金星探査1961.2.12-1983.6.7 ベネラ
1978.5.20 パイオニアビーナス• 木星探査1972.3.2, 1973.4.6 パイオニア10, 11号
1977.9.5, 1977.8.20 ボイジャー1, 2号

III. アポロ計画以後の月探査～多国化・多目的化～
Clementine

25 Jan. 1994 - 5 May 1994

Lunar Propsector

7 Jan. 1998 - 31 July 1999

SMART-1

27 Sept. 2003 - 3 Sept. 2006

Kaguya (SELENE)

14 Sept. 2007 - 10 June 2009

Chang’E 124 Oct. 2009 - 1 Mar. 2010

Channdrayaan-1

22 Oct. 2008 - 31 Aug. 2009LRO

17 June 2009 - STILL ACTIVELCROSS

17 June 2009 - 9 Oct. 2009

ARTEMIS

20 July 2009 - STILL ACTIVE

Chang’e 21 Oct. 2010 - April 2012

GRAIL

10 Sept. 2011 17 - Dec. 2011

LADEE

6 Sept. 2013 - 17 Apr. 2014

Chang’E 31 Dec. 2013 - STILL ACTIVE

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米国：科学から資源へ
CLEMENTINE•

国防総省 + NASA + 弾道ミサイル防衛局•

目的：
高緯度地域の科学観測
宇宙防衛小型化技術の機能確認•

搭載機器
高分解能カメラ，紫外線・可視光カメラ，近赤外線カメラ，長赤外線カメラ，荷電粒子センサ，レーザ距離計，レーダ•

科学成果
南極エイトケン盆地の『発見』

宇宙風化の定量化
全球重力場
鉱物マップ
永久影中の水月南半球の地形．赤は高地，青は低地(かぐやLALTデータ)．

米国：科学から資源へ
CLEMENTINE•

科学成果
南極エイトケン盆地の『発見』
宇宙風化の定量化

Lucey et al., 2000, JGR, 105,20,377-20,386.

全球重力場

鉱物マップ(FeO, TiO2)
永久影中の水月南半球の地形．赤は高地，青は低地(かぐやLALTデータ)．

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米国：科学から資源へ
LUNAR PROSPECTOR• 目的：科学 ≈ 資源
極域水の確認(正しくはH)• 搭載機器
中性子線分光計，ガンマ線分光計，アルファ線分光計，磁力計・電子反射計，ドップラー重力計測器• 科学成果極域に約30億トンの水

米国：科学から資源へ
LRO• 目的：科学 < 資源，月利用
資源の計測
放射環境
• 搭載機器Diviner Lunar Radiometer Experiment，LAMP (Lyman-Alpha Mapping Project)，
LEND （Lunar Exploration Neutron Detector)，LOLA (Lunar Orbiter LaserAltimeter) ，LROC (Lunar Reconnaissance Orbiter Camera)，Mini-RF• 科学成果Wagner & Robinson, 2014, Icarus, 237, 52-60.

0.5 m解像度のパノラマ
多数のpit溶岩流の層を識別若い(< 10億年)のテクトニクス

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米国：科学から資源へ
LRO• 科学成果0.5 m解像度のパノラマ
多数のpit溶岩流の層を識別
若い(< 10億年)のテクトニクス

Robinson et al., 2012, Planet. &Space Sci., 69, 18-27

Watters et al., 2010, Science,329, 936-940.

米国：科学から資源へ
LRO• 科学成果
極域PSR (Permanent Shadowed Region)の霜氷
LCROSS カベウスクレーターへの衝突

Gladstone et al., 2012, J.
Geophys. Res., 117,
doi:10.1029/2011JE003913.

Colaprete et al., 2010, Science, 330, 463-468.
Schultz et al., 2010, Science, 330, 468-472.

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米国：科学から資源へ
GRAIL• 目的：科学 >> 資源，月利用
重力場と内部構造
有人探査のサポート• 搭載機器
Kaバンド通信• 科学成果
超高解像度の重力マップ
Andrews-Hanna et al., 2014, Nature, 514, 68–71.

米国：科学から資源へ
LADEE• 目的：科学 < 資源，月利用
大気の構成
ダスト環境
• 科学成果双子座流星雨時にダスト量の増加を計測

浮遊ダストは確認できず

Horányi et al., 2014, LPSC2014.

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欧州：工学試験
SMART-1• 目的：
イオンエンジンの技術試験• 搭載機器X線スペクトロメータ・高精度月小型カメラ・小型赤外線スペクトロメータ• 科学成果？...だが小型衛星による月探査の例

Particle Induced X-ray emission計測[Narendranath et al., 2014, ASR, 54, 1993].

インド：深宇宙に参入
CHANDRAYAAN-1
•目的：
地形図
鉱物分布図

•

搭載機器
地形マッピングカメラ(TMC)，高解像度スペクトルカメラ(HySI)，レーザー高度計(LLRI)，高エネル
ギーX線スペクトロメータ(HEX)，月面衝突装置(MIP)
X線スペクトロメータ(C1XS) (ESA)，近赤外線スペクトロメータ(SIR-2) (ESA)，低キロ電子ボルト原
子反射解析装置(SARA) (ESA)，放射線モニタ(RADOM) (ブルガリア科学アカデミー)，小型合成
開口レーダ(MiniSAR) (NASA)，月面鉱物マッピン
グ装置（英語版） (M3) (NASA)•科学成果
X線測定(低S/N)
鉱物中のOH基OH/H2Oの3 mm吸収 [Pieters et al.,2009, Science, 326, 568-572].

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中国：月探査を牽引
CHANG’E-1
• 目的：
3次元画像
元素分布
レゴリス調査惑星間環境• 搭載機器
CCD立体カメラ，レーザ高度計，画像分光器，ガンマ線分光器，X線分光器，マイクロ波測定器，太陽高エネルギー粒子測定器，太陽風粒子測定器(低エネルギーイオン測定器)

3 GHzの輝度温度．
上：昼間 9 ~ -10 K，
下：夜間 7 ~ -10 K[Chan et al., 2010, EPSL,295, 287-291].

• 科学成果輝度温度の観測日本：科学と開発
ひてん・はごろも• 目的：
衛星軌道(スイングバイ)制御技術の確率• 搭載機器

ダストカウンタ• 科学成果
理学的成果はなし

アポロ8号の8の字軌道．

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日本：科学と開発
LUNAR-A• 目的：
内部構造• 搭載機器
地震計
熱流量計• 科学成果中止 → APPROACH計画(ペネトレータ2基)へ

日本：科学と開発
かぐや• 目的：
グローバルマッピング
アウトリーチ• 搭載機器
蛍光X線分光計，ガンマ線分光計，マルチバンドイメージャ，スペクトルプロファイラ，地形カメラ，月レーダサウンダー，
月磁場観測装置，レーザ高度計，プラズマ観測装置，粒子線計
測器，電波科学，超高層大気プラズマイメージャ，VLBI電波源，リレー衛星，ハイビジョンカメラ
• 科学成果地殻形成と裏側の理解

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日本：科学と開発
かぐや (TC/MI/SP)• 科学成果月岩石学の新展開 PAN (Pure Anorthosite)
月裏側の火山活動は36億年～24億年前まで継続
Next: 月裏側からサンプル採集
春山ほか ，サイエンス，2008.

日本：科学と開発
かぐや (LALT/VRAD/RSAT)• 科学成果
低次重力場係数の精度向上 → ラブ数 (k2)の更新
月裏側の重力観測 → GRAILが一新，桁違いに．
Next: 月レーザ測距の飛躍的発展？

左：月裏側のフリーエア
重力異常
右：全球地形図20

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日本：科学と開発
かぐや (LRS)• 科学成果海の火山活動に複数回の休止期
Next: 地中レーダによる実証

海の地下構造 [Ono et al., 2009,Science, 323, pp. 909-912]

日本：科学と開発
かぐや (GRS)• 科学成果トリウム分布Min. Thは地殻最厚いに対応→ 最古の地殻？
Next: 裏側サンプルリターン
urKREEP

Yamashita et al., 2010, GRL, 37, L10201.]21

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日本：科学と開発
かぐや (HDTV)• 科学成果アニメ・漫画に登場するロケットがスペースシャトルからH2Aに
Next: 月面の音？！

上：地球の出左：シュレディンガー盆地

IV. これからの月探査～ポストISSの政治主導と国際協力～• 国際宇宙探査ロードマップ
http://www.jspec.jaxa.jp/enterprise/data/
roadmap_j.pdf
1. 大規模・国際協力ミッションへの部分的参加・設計
2. 日本独自・科学主導の小型ミッション
3. 国際宇宙ステーションからの定常観測
4. 地球観測衛星・天文観測衛星の利用

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IV. これからの月探査～ポストISSの政治主導と国際協力～• 無人月探査計画
ロシア，韓国も積極的

SLIM：ピンポイント
着陸• 目的
高精度着陸(100 mレベル)技術の実証
軽量システム(月惑星探査の高頻度化)
着陸誘導制御技術
画像照合航法
着陸衝撃吸収系
薄膜電池シート，SUSラミネートバッテリ
高性能推進系23

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IV. これからの月探査～ポストISSの政治主導と国際協力～• 国際月ステーションからの無人・有人探査計画
ESA Vision 2030 (International symposium
on Moon 2020-203, 15-16 Dec. 2015)

IV. これからの月探査～ポストISSの政治主導と国際協力～
1. 大規模・国際協力ミッションへの部分的参加・設計
Ready-to-Onboardな観測機器の準備
利用・資源探査との親和性※ ただし，ISS国際宇宙探査小委員会の掲げる目的は「科学と滞在」(資源利用は含まれない) [2016 宇宙科学シンポジウム]

SELENE-R
2. 日本独自・科学主導の小型ミッション

3. 国際宇宙ステーションからの定常観測
4. 地球観測衛星・天文観測衛星の利用

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IV. これからの月探査～ポストISSの政治主導と国際協力～• 国際宇宙探査ロードマップ
1. 大規模・国際協力ミッションへの部分的参加・設計
2. 日本独自・科学主導の小型ミッション
小型技術の活用：イプシロンロケット，小型衛星・超小型衛星
新パートナー(台湾，ベトナム...)3. 国際宇宙ステーションからの定常観測
4. 地球観測衛星・天文観測衛星の利用

台湾の地上観測衛星
FORMOSAT-2. 2台のカメラを搭載して，最高解像度2 mで地表を観測

IV. これからの月探査～ポストISSの政治主導と国際協力～• 国際宇宙探査ロードマップ
1. 大規模・国際協力ミッションへの部分的参加・設計
2. 日本独自・科学主導の小型ミッション
3. 国際宇宙ステーションからの定常観測
2020年代 月近傍からの着陸(4名以上)
無人ローバの遠隔操作など
超小型衛星ミッションの可能性
4. 地球観測衛星・天文観測衛星の利用

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IV. これからの月探査～ポストISSの政治主導と国際協力～• 国際宇宙探査ロードマップ
1. 大規模・国際協力ミッションへの部分的参加・設計
2. 日本独自・科学主導の小型ミッション
3. 国際宇宙ステーションからの定常観測
4. 地球観測衛星・天文観測衛星の利用
温室効果ガ
ス観測衛星
いぶき(GOSAT)
高感度センサを搭載

おわりに• 過去のミッション，実現しなかった計画にもヒントがある• 方法論は多様(月周回ステーションから地球観測衛星まで)• 王道としての大規模国際協力ミッションと，ニッチとしての日本独自小型ミッションの使い分け

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