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日本惑星科学会誌Vol. 32, No. 3, 2023

もう一つの月世界へ：火星衛星探査計画MMX
その2 〜火星の月の攻略法〜
中村 智樹1，竹尾 洋介 2，池田 人 2，
MMXミッションオペレーションワーキングチーム（要旨）M M Xでは約3 年に及ぶ長期の観測を火星衛星 2 つに対して行う．フォボスの2 年半のリモセン観測と2回のサンプル採取，デイモスの半年弱のリモセン観測，これらリモセン観測とサンプル分析の合わせ技で火星衛星の起源に迫る．本稿ではフォボス，ダイモスの観測計画とその目標について概説する．

隕石の研究を始めた学部生のころから，宇宙の物反射スペクトル（図1）は，やはり小惑星のスペクトル質は130 億年以上かけてどのように変 遷してきたのに思えてくる．したがって，私はフォボスから回収しか知りたいと思っている．太陽系の始まりを記憶するたサンプルがリュウグウに似た小惑星物質であって未分化な始原隕石や小惑星，彗星などの太陽系小天も驚かない．一方，フォボスが巨大衝突の高温高圧体に対する興味は尽きない．一方，以前から火星のおよび混合を経てできた物質だとすると，どうして小衛星は気になっていた．なぜなら昔の文献に，地球惑星に似た暗い色になったのか，実に興味深い．火の月と異なり，火星の月は暗く小惑星かもしれない，星は始原的小惑星に比べると圧倒的に明るい．どうと書いてあったからだ．M M X計画が立ち上がり始して，衝突で火星物質が混ざっても暗いのか，ぜひめた当初，参画を声がけいただいた際，火星衛星は理解したい．

小惑星と思い込んでいた私は，2 つ返事で飛び乗っ

M M Xミッションは「はやぶさ」，「はやぶさ2」に続た．日本で3回目の小惑星サンプルリターンミッショ

く，日本の3度目のサンプルリターンミッションであンだと意気込んだ．

る．しかし先例2 つと大きな違いが二つある．一つ目

その後，同じく当初から参画していた東工大の玄は，M M Xはフォボス，ダイモスを訪れた最初の探査

田さんに，いやいや火星衛星は小惑星ではなく，火機ではない，ということである．火星衛星に特化した星に小惑星のような天体が衝突して，上空に舞い上観測ではないが，複数の欧米の火星探査機が，特にがった破片が火星の周りに塵円盤を作り，その中でフォボスは画像，分光データ（U V, 可視，近赤外，中いくつかの小天体が集積し，そのうち2 つがフォボス間赤外：可視と近赤外は図1）のデータを多数取得しとダイモスとして今も残っているのだ，と教わった．ている（例えば，[2] ）．したがって，「はやぶさ」，「は確かに，2 つの月がほぼ同じ軌道面にあることや，似やぶさ2」がイトカワとリュウグウに訪れた最初の 探たような暗い色（スペクトル）をしていること（図1）をう査機であったのと異なり，M M Xミッションでは単にまく説明できる．2016 年だったと思う．その後，過去フォボスの画像を取得したり，スペクトルを取るだけのフォボス，ダイモスの観測データを勉強し，C 型小では新規の発見にならない（し，論文も書けない）．

惑星リュウグウのリモセン結果やサンプル分析結果

したがって，過去のミッションで達成できなかった[ 1]を理解するに至ると，私にはフォボスやデイモスの空間解 像 度や S N で画像や分 光 データを取得した

1.東北大学
2.宇宙航空研究開発機構
tomoki.nakamura .a8@tohoku.ac.jp

り，過去のミッションで得られなかった種類のデータを得なければならない．2 つ目は，惑星間空間に単体で存在する小惑星とは異なり、火星の月は火星のもう一つの月世界へ：火星衛星探査計画MMX その2 〜火星の月の攻略法〜／中村，他

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図1：Mars Reconnaissance Orbiter探査機に搭載されたCRISM分光計で取得されたフォボスの青領域，赤領域，およびデイモスの反射スペクトル（[2]を改変）．図下部の帯は，MMXに搭載されるマルチバンドカメラ（OROCHI）と近赤外分光計（MIRS）の観測可能範囲．

重力の影 響を受けて火星を周回しているということ

フォボスと火星の位置を固定した座標系で見ると（図である．したがって、火星の月を近傍から定常的に観2A），各高度の擬周回軌道を平易に理解することが測するためには，探 査機も火星の月と同じような軌できる．

道で火星を周回しなければならない。特に火星の月一方，フォボス－太陽方向を固定した，いわゆる慣への接近観測では、火星と月の両方の重力の影響を性 系の座標で表 現したのが図3である．この場 合，考慮する必要がある。

探 査機は図中心のフォボスの自転方向と反 対側に

M M X 探 査機は火 星圏に到着後，フォボスの共フォボスを円運動しながら周回するように描かれる．

軌道（フォボスと離れてフォボスと同じ軌道にいるこM M Xでは以下の異なる軌道半径の4つのQ S Oを使と）を経由し，最終接近のためのフェージング運用をう．周期は慣性座標系（図3）における周期である．

経て，Q ua si - S atel l ite O rbit（Q S O）に遷移する．
様々な高度のQ S O 軌道
（図2A）に，着陸運用期間をQSO -H（半径100×198k m）：除いて，約2 年半滞在する．Q S Oは擬周回軌道（直フォボスの周りを1周するのに約32日

訳は擬衛星軌道だけど）と呼ばれ，枝葉を切り取っQSO-M（半径 50 x 94 k m）：

た単純な理解として，フォボスの火星周回軌道の直フォボス1周約4. 3日

径と周期はそのままにして少しだけずらした軌道とQSO -LA（半径33 x 56 k m）
：理解することができる．探査機はフォボスとともに火フォボス1周約30. 6 時間

星を周回する．フォボスは火星に潮汐ロックされていQ S O - L C（半径 20 x 27 k m）：

るので，探査機からフォボスを見ると自転しているよ

フォボス1周約 9. 3 時間

うに見える．したがって，この軌道にいれば，探査機はフォボスの全球を火星まわり1周回で観測できるこ

例えばQ S O - Hでは，探査機は16日連続でフォボとになる．実際の軌道は探査機がフォボスにかなりスの昼 側に滞在し，次の16日間は夜側に滞在する．

近づくため，探 査機をフォボスに落下させないため昼の間，探査機は自転するフォボスを観測できる．しにフォボスを周回させる必要があり，単純ではない．

たがって，基本的には昼側で観測に集中し，夜側で218

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図2：フォボスのQSO観測軌道（[4]を一部壊変）．(A)フォボス-火星方向が固定された座標系．高度の異なる5つのQSOが，フォボスを中心として描かれており，x軸負の方向は火星への方向，xy平面はフォボス軌道面である．潮汐ロックされているので，図の中でフォボスは回転しない．(B)ダイモス観測のためのフライバイ軌道．3:5共鳴軌道と1:1共鳴軌道を示す．中心に固定された火星に対して，太陽は反時計回りに，探査機は時計回りに自転する．

データを地球に転送する．リュウグウ（直径約1k m）の発電量に影響があるため，日陰発生時間が短い高と比較すると，フォボスは直径が約20 倍，表面積が高度の周回軌道に退 避しなければならない．また，約400 倍である．したがって，はやぶさ2に比べ，リ探査機と地球の間に火星・フォボスが来る「掩蔽 」や，モセンのデータは爆発的に増える．海外局も併用し，探査機と地球の間に太陽が来る「合」で観測が制限

効率的に観測データを地球に転送する綿密な計画されることも考慮する．このように，さまざまな障害を立てている．となる条件を考慮し，ミッション全期間（約3 年）での太陽系で地球は火星の内側にあるので，図3にお長中期計画を策 定した（図 4）．ミッションオペレー

いて地球の方向はある範囲に限られる．探査機は基ションワーキングチーム（私が主査で池田さん，竹尾

本的にはフォボスを指向し，地球上の日本が可視のさんが副査）の40 名程度の国際チームが 6 年間70 回時間帯に地球を向きデータを転送し，一方，フォボス以上の会合を重ねて作ったものである．計画はかなの夜側の時間帯には，可能な範囲で火星の観測も行りフレキシブルに設定した．着陸運用が不調のケーう．巨大な火星と近接したフォボスの周りを周回する

スなど，対応を決めている．

ため，探査機は周期的に火星やフォボスの陰に入る

この図から，探査機はどの期間にどの軌道にいる（蝕）．この時間が長いと探査機の太陽電池パドルでのか，地球との片道通信時間はどの程度か，蝕，合，もう一つの月世界へ：火星衛星探査計画MMX その2 〜火星の月の攻略法〜／中村，他

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図3：フォボスを中心とした慣性座標系における探査機，地球（青），火星（赤）の位置 [4]．フォボス-太陽方向は固定．

掩蔽の影響を一目で理解することができる．詳細な主な観測：着陸地点への降下中，着陸中，説明は省くが，ミッション全期間を6つのフェイズにおよび上昇中観測分けた．

ローバーによるフォボス表面観測
Pha se 4:

Pha se 0:

フォボス擬周回軌道

火星圏到着，火星軌道投入，フォボス共軌道

主な観測：フォボス科学観測，可能であれば主な観測：デイモスフライバイ観測，共軌道からの火星，フォボス観測
Pha se 1:

QSO -M, LA

Q S O 軌道面を傾けた極地観測
Pha se 5:
デイモスフライバイ軌道

フォボス擬周回軌道

QSO -H,M

主な観測：形状モデル作成のための観測，

主な観測：共鳴軌道からのデイモス観測（10周回以上）．

着陸候補 50 地点観測Pha se 2:

Pha se 5ではフォボスの共 軌 道から探 査機 の軌

フォボス擬周回軌道

QSO -M, LA, LC

道長半 径を拡大し，デイモス軌道に近づける．デイ

主な観測：着陸地点の決定のためのモスの火星公転周期と探 査機の公転周期を整数倍

着陸候補地点の詳細観測にする（ 共鳴軌道）ことで，周期的に探査機とデイモフォボスの詳 細 科 学 観 測（地 形， 分 光，スが会合するように設定した．図2Bはデイモス周期：

化学組成）

探査機周期 = 1:1および 3: 5の共鳴軌道を示していPha se 3:
フォボス擬周回軌道
および着陸運用2回る．1:1では約30 時間ごと，3: 5では約 90 時間ごとにQSO -M, LA

探 査機とデイモスは会合する．軌道半 径が大きい方が，会合時の探査機とデイモスとの相対速度が大き220

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図4：フォボス（フェイズ1～4）とダイモス（フェイズ5）の現在の科学運用計画．フェイズ3では2回のタッチダウンが計画されているが，時間と場所は暫定．
火星観測は，フォボスとダイモスの観測とともに主にフェイズ4とフェイズ5で行われる．上図は，火星（オレンジ）とフォボス（青）による蝕の継続時間（縦軸）を示している．蝕の継続時間の推定には，QSO-LA軌道を仮定した．下段には，観測フェイズと対応する期間の探査機の軌道（QSOの種類：H，M，LA，LC，3DM）が記述されている．略語 CO: フォボス共軌道，H: QSO-H，M: QSO-M，LA：QSO-LA, TR: transition from LA to LC, LC：
QSO-LC，3D-M：3D-QSO，LSS：着陸地点選択期間，LD：着陸運用，R：着陸リハーサル，Sci Obs：フォボスの科学観測，DMフライバイ：ダイモスのフライバイ観測．

くなる．そのほか，デイモスの観測可能領域の広さやとができる．さらに，空間解像度もQ S O - L Cにおい

観測太陽条件などを考慮して，最適な共鳴軌道を選て，過去のデータの一桁以上よいデータが取得でき択する．デイモスへの最近接距離は100 -200 k mをる．これにより，これまでに発見されていない物質が想定しており，この高度から観測できると，フォボス特定される可能性がある．のQ S O - H（軌道半径100×200 k m）からの観測と空加えて，フォボスの全球の元素存在度のデータを間分 解能が同等になり，2 つの月を詳細に比較検討

中性子，ガンマ線分光計（M E GA N E [ 3] ）や質量分できる．本当にフォボスとダイモスは同じ物質できて析計（M S A [ 3] ）で推定することができる．元素組成いるのか，が知りたいところである．

を調べることができるのが，はやぶさ2と大きく違う．

図1は今までで得られたフォボスとダイモスのベス

これら2 年半に及ぶ観測により，詳細な地形，スペクトの反 射スペクトルデータ[2] である．スペクトルはトル，さらに元素存在度を推定することで，フォボス単調で赤く，層状ケイ酸塩のOH 吸収（2.7ミクロン）の成因に大きな制約を与えることができる．特に元が少しありそうであるが，肝心の吸収の一番深いと素組 成はフォボスが未 分 化な物質でできているのころが観測できていない．また，唯一，特徴のあるか，分化した（ 火星のような）物資を含んでいるのか，0. 65ミクロン吸収も，データが割れていて，詳細には判断するための重要なデータである．当然，最終的わからない．M M Xでは，より赤外側に広げて有機な決め手は回収サンプルの詳細分析である．このよ物の吸収（~3. 5ミクロン）を含む広い波 長範囲をカうにして，火星の月の起源をM M Xで一発で仕留めバーできるマルチバンドカメラと赤外 分 光計を搭 載たい．それに向けて，今後は遅滞なく，確実に準備する（ORO CH I , M I R S : [ 3]で紹介）．両者は観測可を進めていきたい．

能波長範囲が約1ミクロンで重なっており，データを本 稿に概説した M M Xの科学観測計画の詳細はつなげることができる．また，1ピクセル当たりの空専門誌に公 表済みである[4] . M M Xの 観 測計画を

間解像度もほぼ一緒であり，効率的な解析をするこ

ミッションオペレーションワーキングチームで考え始もう一つの月世界へ：火星衛星探査計画MMX その2 〜火星の月の攻略法〜／中村，他

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めた2016 年当時，私は探査機の運用や観測計画策

は，物質科学の素地がある若手が，臆せずリモセン定に関して完全な素人であった．それから7年たち，観測に参画すれば，能力を発揮し大きく貢献できる池田さんや竹尾さん，他のメンバーから助けてもらと思っている．

い，毎日のようにM M Xの観測運用を考えているので，さすがにもう素人ではないと思う．フォボスとダイモスは，大気のない大きな岩石の塊である．それを参考文献

探査機からどう観察し，どう分析すればよいか，を[1] 中村智樹ほか，
2023，
遊星人 32, 226(本誌).

考えることは，リュウグウのサンプルを電子顕微鏡に[2] Fraeman, A. A. et al., 2012, GRL:Planets 117，入れて，どこをどのモードで観察し，元素分析すればE00J15.

よいのか，を考えるのに似ている[ 1]．物質科学を知[3] 倉本圭，
2023，
遊星人 32, 123.

らないと，岩石天体のどこをどう観測すればよいの[4] Nakamura, T. et al., 2021, Earth, Planets andか，優先順位をつけるのは難しい．その意味で，将来Space 73, 227.の岩石 天体の観測やサンプルリターンミッションで著者紹介
中村 智樹
東北大学大学院教授

エスアイ， アクセルスペース等を経て2019 年から現東京大学大学院理学系研究科鉱職 . 主に宇宙機の姿勢制御や画像処理を専門とした

物学 専攻 博士課 程を中退し九州研究に従事，M M Xでは航法誘導系, ミッションオペ

大 学 理 学 部 助 手．博 士（理 学）．

レーションワーキングチーム副主 査 及びコマンド 計

NA S A / JS C 太 陽 系 探 査 部 門，画立案系を担当．

独マックスプランク研究 所・宇宙化学部門に留学，九州大助教授を経て2012 年から

池田 人

現職．初期太陽系進化学 研究室を主宰．はやぶさ，JA X A / 研究開発 部門

はやぶさ2では初期分析を担当，M M Xでは科学戦究開発員

略チーム「O r ig i n of Phob o s a nd Dei mo s」のPI，九州大学大学院工学府航空宇宙主任 研およびミッションオペレーションワーキングチーム主工学専攻博士後期課程修了．博士査を担当．

（工学）．2008 年宇宙航空研究開竹尾 洋介

機の軌道力学系システムの開発および運用，アスト発 機 構 ( JA X A) 入社．主に宇 宙
JA X A研究開発部門

主任研究開発員
筑波大学院数理物質科学研究科
博士課 程を中退．東 京工業大学
院機械系博士課程単位取得満期
退 学．修 士（理 学）. N E C ネッツ

ロダイナミクス関連の 研 究に従 事．M M Xでは軌 道系，運用設計等を担当．