彗星、行きまーす
CHAR PROJECT

Comet High-speed
Approach Research
2017/1/11
チーム名 : 赤い彗星
平田直之・牛尾康一・鎌田有紘・柏岡秀哉・松本明佳

1

彗星とは彗星の定義＝尾を持つ小天体
イオンテイル

彗星には実は二種類ある・短周期彗星 (Ecliptic Comets)- 周期 < 200年・長周期彗星 (Nearly Isotropic Comets)- 周期 ≧ 200年

周期の違いによって分類されているがこれらの彗星は生まれも育ちも違うのかもしれない

2短周期彗星と長周期彗星
短周期彗星はカイパーベルト由来である
長周期彗星はオールト雲由来である
カイパーベルト
木星以遠のほぼ黄道面に沿う領域にある小天体群

オールト雲1万～10万AUにある仮想的天体群。
1兆個もの小天体が存在するとされ、数という点で太陽系最大のグループである
オールト雲天体は内太陽系で作られ複雑な力学進化を経たのち外縁部に移動したという説が提唱されている
3

81P/Wild 2(6.4yrs) 67P/ChuryumovGerasimenko
5.5×4.0×3.3km(6.45yrs)
Stardust,2004
5×3km
Rosetta,2014

1P/Halley(75.32yrs)
16×8×8km
Vega 2,1986

19P/Borrelley(6.84yrs)
8×4km
Deep Space 1,2001

103P/Hartley 2(6.48yrs)
2.2×0.5km
Deep
Impact/EPOXI,20
109P/Temple 1(5.58yrs)
7.6×4.9km
Deep Impact/
Stardust,2005

これまで探査された彗星はすべてECsである

4ミッションコンセプト
本ミッションは世界で初めてNICsをTargetとするものである
今回のミッションのアイデア
・事前に探査機をスタンバイさせ、NICsへの探査を可能にする
・到達可能なNICsに幅をもたせるため、高機動力をもつ身軽な探査機とする

今まで探査が行われてこなかった理由
発見してからプロジェクトを立ち上げるのでは時間がかかり、目標とする数年で彗星に到達させることができない5

ミッション目的・NICsへの彗星探査およびサンプルリターンを実現することを目的とする・オールト雲由来とされるNICs を探ることでオールト雲の天体の形成と進化を探る(カイパーベルト起源の彗星との比較の実施)
・本計画は世界初の長周期彗星探査という位置付けであり、彗星科学のさらなる発展を図ることを目指す

6

ミッション意義• オールト雲の天体は長周期彗星・非周期彗星として地球近傍に落ちてくると考えられている• NICsを探査することで、未踏のオールト雲天体について世界で初めてその姿・組成・進化の一端を明らかにすることを目指す• カイパーベルト天体と似通った性質が観測された場合、カイパーベルト天体とオールト雲天体は近い領域に起源をもつことが示唆される

7

ミッション意義 –分析手法
スターダストにおいて行われた主な調査
分析手法
透過型電子顕微鏡(TEM)

二次イオン質量分析計(SIMS)

分析内容

わかったこと示唆されること輝石が溶けている

1500℃付近までの加熱の経験した粒子の存在

有機物の水素，炭素，水素と窒素の同位体
窒素の同位体分析
異常（高感度）

極低温（～ 20K）の星間分子雲を起源とする粒子の存在

結晶構造分析

太陽付近で形成された高温物質がカイパーベルトまで運ばれた
8

ミッション意義 –分析手法
これらの分析を可能にしたのは・・・

透過型電子顕微鏡

二次イオン質量分析計

地上での分析が不可欠

9ミッション意義 –核の撮影
ECsの彗星核10m/pixelの画像が得られている• クレーターはほとんどない• 昇華によって凹凸地形が多い• ダストに覆われた滑らかな領域• 一部、アルベドの高い氷の露出した領域

凹凸(ピット）スムースな領域

クレーター
高アルベドスポット

テンペル第一彗星の核（10m/px）• 太陽にあぶられた天体だった• 太陽から遠く離れたNICsはどんな進化を遂げたのか、を明らかにしたい10

設計要求フロー
何をしたいか

何を計るか
クレーター要求(手法):システム, 機器

凹凸

NICs の核の表層の観測

彗星核の形状・Imaging

彗星核サイズボルダー・レゴ
リスの有無

元素組成

NICs の構成成分の同定

同位体比

鉱物組成

・コマ成分の捕集
・サンプルリターン

結晶構造11

ミッション要求
No

ミッション要求1

彗星軌道への航行

2345

詳細
彗星軌道に接近するためのΔVを獲得すること

彗星へのフライバイ実施 彗星本体への接近(300-600km)
彗星核の近接撮像
分解能5m×5m
彗星塵の非破壊捕集
サンプル量0.1mg
サンプルリターン

地球軌道に帰還すること12フライバイ距離の条件
フライバイ距離のトレードオフ(相対速度20km/sでのフライバイを想定)
100km

500km

1000km

10000km

Imaging

×◎

○×

ダスト密度

◎

○

○

△

Imaging• MRI camera (Deep impact搭載)の最小露光時間は0.1s• 100kmフライバイは彗星の移動が画素の1/10程度になってしまう• 遠距離フライバイ(1000km超)では、5mの解像度で撮影することはできない
ダスト密度• 距離が近いほど粒子は多いが、10000km以内でも捕れる
最適な接近距離は300km~600kmと結論

13

制約条件
(1)予算：総額が800億円以内であること(2)期間：発見から彗星軌道交差まで2-3年で実施できること
打ち上げから15年以内に地球に帰還できること

前提条件(1)上述(2)を満足するロケットを使用すること(2)長周期彗星が探査機発射より2年前に発見されること
現在：全天1.5mの望遠鏡(地上) 6-7AUで発見可能
将来：LSST8.4mの望遠鏡(地上) 20AUで発見可能
パンサースカイよりも最大２倍の距離のものが捉えられるはず14

システム要求
システム要求項目
彗星へのフライバイ

目標天体に対し、軌道計画を策定し、それに沿った軌道・姿勢制御が実施可能なこと。

画像によって彗星を認識し、フライバイ時の彗星核の近接撮像(分解能5m×5m) 相対位置制御が可能なこと。また、表面の特徴を高解像度で調べる。

彗星塵の非破壊捕集(0.1mg以上)

サンプラーは、対象彗星のコマから試料を採取できること

発射から15年以内のサンプル帰還カプセルが、地球に対し無限遠速度(10km/s)程度で進入する場合でも回収可能であること地球に持ち帰った試料を分析する(オプション)

試料を分析する設備・体制を保持すること

15

システム要求
観測等に必要なミッション機器・性能
No

用途

精度数秒角

1

ナビゲーション/高解像度カメラ

軌道修正/ 彗星核の撮像

2

ダストカウンター

ダストのフラックス計測

3

サンプル捕集機構

彗星塵の捕集4

帰還カプセル

サンプルリターン相対速度1220km/sでの塵の非破壊捕集

16

システム要求 –カメラ
• 距離300~600kmでフライバイするので、Deep impactに搭載されたMRIと同程度のカメラでよい、（得られる画像解像度は3~6m/px）• MRI onboard Deep Impact の仕様→
• 視野10mrad、1024pixel、モノクロ•

http://sbn.astro.umd.edu/holdings/dif-c-hriv-2-epoxi-hartley2v1.0/document/instruments_hampton.pdf より

17

システム要求 –集塵機構
スターダストと同様にエアロジェルでの捕獲を行う
秒速20km/s程度で捕獲できるような集塵器を開発し搭載する(スターダストに搭載されたものでは、12km/sの衝突でも融けずに捕獲できる）

18

ミッションシーケンス
1.彗星発見2.打ち上げ
3.彗星近傍でのフライバイ
4.サンプル採取
5.地球へのサンプル発射

19

彗星近傍でのシーケンス
彗星のコマ

彗星核

104km
300km~600km

遠方から撮像開始(106km)

探査機の軌道サンプル採取機構展開(104km以遠)

20

探査機システム仕様

全体
シス
テ
ム

項目

内容

打ち上げ時期

対象彗星発見後1年以内

打ち上げロケット

アトラスV551(米)C3:80(km2/s2)
ペイロード:2ton

ミッション期間10年

質量300kg*

電力

350W*

地上システムUDSC*Stardustより参照

21

探査機システム仕様
コンフィグレーション
採集エアロジェル

太陽光パネル

高利得アンテナ

帰還カプセル

シールド
カメラ*Stardustより参考

22

探査機システム仕様
バス

通信系
姿勢軌道制御系太陽電池パネル系 他

質量(kg)

備考

20最大8kbps

光学系
ミッション

ダストカウンター

180

サンプル捕集カプセル
推薬量

総計100300*はやぶさ・Stardustより参照

23

リスク分析
リスク分析

リスク対策

彗星塵の衝突による太陽電池パネルへの影響

太陽電池パネル全面にシールド面を設置

非重力効果による彗星軌道の変化

探査機本体の推進剤に余裕を持たせる

推進器の異常推進器に冗長性を持たせる

カプセルの落下地点

ビーコンで落下位置を特定する

24

END

サクセスクライテリア
評価基準
彗星核を撮影し形状を調べる。また、
ミニマムサクセス フライバイ時にサンプラーを展開し、コマ部分を通過する。
ミニマムサクセスに加えて、サンプルフルサクセスを地球に持ち帰り、始原天体起源の有機物や含水鉱物の分析を行う。
フライバイ時の探査機の軌道から彗星エクストラサクセスの質量・密度を求める。

26

カメラ
核の画像を取ることで、何をしたいか？
• 彗星核が古いものか新しいものかを知りたい• どのような進化をしているのか（例：衝突と昇華どちらがドミナントか？）を知りたい• ダストマントルがあるかどうかを知りたい

ピット

そのために何を測定するのか？
• クレーターを測定する• ダストで覆われたス
ムースな領域・ピット
地形の有無を観る• 氷の露出（高アルベド域）の有無を観る

ハートレー２・
ヴィルド２・テン
スムースな領域
ペル１の核の画像（10m/px）では、クレーター
これらの地形がよ高アルベドスポット
く分解できている。
それゆえ、同じ解像度なら要求を満たすことができる。

設定要求• これらの地形が分解できるような画像（10m/px)が撮れるカメラを要求する。
27

搭載されたカメラ
Star Dust
Deep Impact• カメラは二つ
1. The Medium Resolution Imager(MRI)中解像度（科学観測とナビ兼用）
2. The High Resolution Imager (HRI)
高解像度（科学観測用）
性能• MRI 700kmの距離で7m/pxの画像が撮れる• HRI 700kmのフライバイで1~2m/px（焦点ずれのため不使用）• カメラは一つ（科学観測とナビ兼用）• NAVCAM instrument

性能• 高度180kmで11m/px

28

スターダストにおいて行われた主な調査• 非破壊試験
分析内容
放射光分析
トラックの三次元構（X線回折、X線CT） 造
元素組成と分布

走査型透過X線顕有機物の組成分析
微鏡（STXM）とX線吸収端近傍構造解析（XANES）

わかったこと示唆されること

バルブ状の部分の存
在揮発性物質（有機物や氷）の存在

ケイ酸塩鉱物と金属鉄原始が密になった構造

高温環境の経験極低温（～ 20K）の 低音環境の経験
星間分子雲を起源とするものが含まれていた29

スターダストにおいて行われた主な調査• 破壊試験
非破壊試験

分析内容

わかったこと示唆されること

透過型電子顕微鏡
(TEM)

組成分析

Fe/（Fe+Mg）比の変動幅が大きい

彗星内で熱変成の影響をほとんど受けていない

結晶構造分析

輝石が溶けている

1500℃付近までの加熱の経験

表面分析

カンラン石粒子内に高密度らせん転位の組織（27 GPa以上の衝撃圧力）

円形の窪みは衝突によってできたク
レーター

同位体分析（高感度）

16Oに富む酸素同位炭素質コンドライ
トとの類似性

レーザ共鳴イオン化質量分析法(RIMS)
二次イオン質量分
析計(SIMS)

体異常が見つかった30

結晶構造分析

かんらん石

ガラス棒

輝石
鉄

エアロジェル31

探査機システム仕様
質量(kg)

電力(W)

備考

高利得アンテナ

720

最大8kbps

中利得アンテナ

220

低利得アンテナ1(3基)20

姿勢軌道制御系

リアクションホイール等

5

太陽電池パネル系

左右両面(6m2)

5カメラ

3

18

2

2

通信系
バス

ミ
ッシ
ョ
ン

光学系
ダストカウンター
サンプル捕集

エアロジェル・骨格

50

カプセル

50

推薬量

150

他

180

マージン

45

総計

300
32

今日までは到達可能な長周期彗星の発見頻度は１年に１回程度に過ぎず(発見自体は年に40個程度)、本計画を実現するには探査機を発射場で一年間待機しなければならなく、現実的ではなかった。しかし、今後数十年の望遠鏡技術の進展により長周期彗星の発見頻度が多くなると予想される
そのため、探査機を短い待機期間で打ち上げることが可能になると期待される
過去１０年間の近日点距離3AU未満の長周期彗星の発見個数
Inclination(deg)sample<20°

11<30°

24<40°

30<45°

3733

探査機の軌道①①地球スイングバイ①弾道飛行で彗星の近日点まで飛ぶ

探査機の軌道②②地球スイングバイ①火星スイングバイ①地球スイングバイ: 探査機の軌道面を彗星軌道面に変更