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日本惑星科学会誌 Vol. 22, No. 3, 2013

みんなでふたたび木星へ，そして氷衛星へ その１～人類として為すべき木星圏総合探査JUICE ～木村 淳 ，佐々木 晶 ，藤本 正樹
123（要旨）日本が木星系探査に参加する．2012 年 5 月に欧州宇宙機関（ESA）の大型惑星探査プログラムとして選定され 2022 年の打ち上げを目指す木星氷衛星探査機 JUICE（ジュース：JUpiter ICy moons Explorer）
は，日本チームもその開発に参加する国際協同計画として始動した．太陽系最大の衛星ガニメデの周回探査とエウロパ，カリストのフライバイ探査を行って氷の表面に広がるテクトニクスの全容や内部海の存否を明らかにし，さらに木星大気や磁気圏プラズマ環境などの調査を通して，木星と衛星，それらの相互作用の様相をつまびらかにする．日本のコミュニティにとって数年前まではただの夢だった木星探査へついに手が届くようになった経緯を記し，これからのあゆみを連載していく．

1. 地球外生命圏に思いを馳せて地球では深海熱水孔が各地で発見され，地球生命の発現 地 に 関 す る 認 識 は 一 変 し た． ま た 太 陽 系 外 で は

北イタリアのトスカーナ大公国，斜塔で有名な街ピ

1995 年のペガスス座 51 番星における惑星発見を皮切サで生まれたガリレオ・ガリレイは，1610 年に自作りに多様かつ多数の系外惑星が観測に捉えられ，従来の望遠鏡を使って木星の 4 衛星を発見．大公国君主一の太陽系と地球の理解に根ざしていた生命居住可能性族の名を取り「メディチ家の星（Medicean stars）」と（ハビタビリティ）の認識は，今や大きな見直しが迫ら名付けられ，後にガリレオ衛星と呼ばれることになるれている．しかし我々はいまだ，地球外生命の存在は

それらの衛星は，地動説に有利な証拠のひとつとしておろか居住可能性をまともに議論できるような環境す天動説を大きくぐらつかせ，人類の宇宙観に大転換をら確認できていない．かつて天動説をひっくり返したもたらすきっかけとなった．それから約 360 年後，人木星系は，宇宙生命学（アストロバイオロジー）をキー類が送り込んだ探査機パイオニアは初めて木星圏に到ワードに今ふたたび人類の認識を大きく変えうる可能達してガリレオ衛星の撮影に成功し，その実績を礎と性を秘めている．地球生態系の理解と地球外生命の想した探査機ボイジャーは衛星の多様な地質活動を露わ像，そしてさらなる系外惑星の発見を踏まえつつ将来にした．そして 1989 年，無人探査機に名を載せたガの宇宙生命学の発展を展望し，全世界をあげて実施すリレオは 1995 年から約 8 年間にわたり木星系を調査し，べき探査として，JUICE は立ち上がった．

衛星エウロパなどの内部に液体水の海が存在する可能性を提示し，ガニメデで衛星唯一の固有磁場を発見す

2. いまだベール厚き木星系るなどの成果を挙げ，氷に閉ざされた静かな世界という従来の描像を覆し独特の生態系の存在をも予感させ太陽系の全容や起源を明らかにする上で，木星系がた．そうして探査機が木星を訪れるようになった頃，その大きな鍵を握っていることは言うまでもないだろ1. 東京工業大学地球生命研究所
2. 大阪大学
3. 宇宙航空研究開発機構
junkim@elsi.jp■2013遊星人Vol22-3_製版.indd

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う．木星は，太陽を除く太陽系天体の中で他を圧倒する大きな質量と角運動量を持つ点で太陽系を代表する存在であるだけでなく，近年進歩のめざましい系外惑

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星の観測では，木星のような巨大ガス惑星が宇宙において普遍的な形態であることも分かってきた．すなわ
ち木星系を理解することは，より普遍的な惑星形成過程とその進化の解明という惑星科学の究極的な目標へと繋がる重要なマイルストーンと言える．また木星には，惑星サイズとも言える大きな衛星らが従い，それぞれが多彩な表層活動や内部状態を持っていることから，古くから「ミニ太陽系」と喩えられてきたことも周知の通りである．その中の衛星エウロパやガニメデ，カリストは表面を H2O 主体の氷で覆われ，内部ではその氷が全球的に融解した「内部海」として存在している可能性が示唆されており，アストロバイオロジーの観点でも最重要サイトであろう．また，木星が持つ

図1： 木星系に到着し調査を行うJUICE（（C）ESA）．

強大な磁気圏のダイナミクスを把握し，太陽系惑星最強の粒子加速器の物理を理解することは，普遍的な宇

いては，JUNO が大気組成を調査し JUICE が大気のダ宙プラズマ物理学の構築にも重要な貢献をもたらす．

イナミクスを把握する，という役割分担があり，またこのように，木星系理解の重要性は長きにわたり研

磁気圏の理解においては，JUICE は撮像観測による究者間で共有されてはきたが，現状は理解する以前に全体像の把握と「その場」観測による局所精密情報をその全容把握すら全くおぼつかない．1970～80 年代

組み合わせた「スケール間結合」という，従来の探査にパイオニアおよびボイジャーが木星のフライバイ調にはない視点でプラズマ現象を根源的に理解する．

査を行い，1990 年代後半から 2001 年にかけてはガリJUNO の遠木点はカリスト軌道よりも外側になるため，レオ探査機が木星周回軌道に入って観測を行った．しガリレオ衛星はほとんど観測しない．

かしガリレオ探査機は高利得アンテナの展開失敗やデータレコーダの故障によってデータ通信量に大きな制約を受け，取得した科学データ量が限定されるという3. LAPLACEからEJSM，そしてJUICEへ重大な障害があった．また衛星の調査においては，フ冒頭で「日本のコミュニティにとって木星探査はたライバイ観測という制約から全面観測がなされていなだの夢だった」と書いた．我が国には「すいせい」によい上に空間分解能も不十分であることに加え，潮汐やるハレー彗星探査から，月周回衛星「かぐや」や小惑火山活動など連続的な時間変化が重要となるデータも星探査機「はやぶさ」に至る成功体験がある．火星探取得できていない．また磁気圏やプラズマ物理の面で査機「のぞみ」も最終的には失敗ではあったが，火星は，低エネルギー粒子の観測が欠落しているとともに領域へ到達しデータを取得する点においては経験を得高エネルギー粒子のデータも時間分解能が悪く，加速ている．しかし木星以遠となると，原子力電池を事実機構の解明やダイナミクスの理解を困難にしている．

上使えず太陽光が微弱な中での電力確保や，巨大惑星さらに木星本体，特に大気についてもそのダイナミク周囲での放射線対策，はるか彼方との遠隔通信など，スの理解に重要な連続撮像データは特定地域の限定的多くの課題が立ちはだかる．そしてこれらは欧州にとな期間にとどまるほか，木星バルク組成の理解に重要っても同様であった．日本として海外（とりわけ米国）な情報となる水蒸気検出を目指した大気プローブは非の探査をただ指をくわえて見ていたわけではなく，常に乾燥した領域に突入したため，木星大気の水蒸気

1970 年代には東北大のグループから木星を目指す提量は今もって謎のままである．現在は JUICE に先ん案が出されていたほか，2003 年には宇宙科学研究所

じて，NASA の木星探査機 JUNO が木星へ向かっておの工学グループが太陽電力セイルミッションとしてのり，2016 年に木星へ到着し極周回軌道で木星の大気木星探査を提案するなど，具体的なアクションは取ら

組成，重力場，内部磁気圏を調べる．大気の科学につれてきた．しかしどうしても大型計画となってしまい，■2013遊星人Vol22-3_製版.indd

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また技術的成熟度という点からも時期尚早という感がし，木星フライバイ時に小型機を木星周回軌道へ投入否めずこれらの提案のミッション化は実現しなかった

しつつ母船はトロヤ群小惑星を目指すというプランをが，最近の太陽電池技術の向上などを受けて，2006

2020 年の打ち上げを目指して検討し始めた．ところ

年に日欧共同での木星探査ミッション LAPLACE（ラがその後，アメリカが脱退してしまう．2011 年 3 月にプラス）の検討がついにはじまった．これは決して突発 表 さ れ た ア メ リ カ の 将 来 惑 星 探 査 10ヶ 年 計 画

然湧いてきた話ではなく，2015 年打ち上げ予定の水（Decadal Survey）での将来計画の優先付けにおいて，星探査機 BepiColombo 検討での協力関係の中で培わJEO が次期大型探査計画の最上位にならなかったこ

れた日本のコミュニティに対する高い信頼に裏打ちさとやその後の予算縮小のために，JEO は事実上の計画れ た 流 れ で あ っ た．LAPLACE で は 三 つ の 探 査 機中止となってしまった．

（JPO=Jupiter Planetary Orbiter，JMO=Jupiter

木星圏探査は再び欧州主導へと戻り，LAPLACE でMagnetospheric Orbiter，JEO=Jupiter Europaの衛星調査はガニメデ周回観測だけだった計画にエウOrbiter）を準備し，編隊にて木星圏の総合探査を目指ロパとカリストのフライバイ観測を加えるなどのアッすこととなった．日本はこのうち JMO を製作し，ヨプグレードが図られ，ミッションは「JUICE」と名前ーロッパが打ち上げる JPO や JEO との相乗りで運ばを変えた．その後 JUICE は 2012 年 5 月に ESA コズミれることになっていた．こうした枠組みで LAPLACEックビジョンの L クラスミッション（大型探査計画）とは欧州宇宙機関（ESA）の次世代宇宙探査計画「コズミして採択され，2022 年の打ち上げを目指して計画がックビジョン 2015-2025」（2015 年～2025 年の打ち上

始 動 し た． 同 じ く 最 終 選 考 に 残 っ た NGO（Newげを目指す大型計画について 2007 年から募集がはじ

Gravitational wave Observatory）と ATHENA（Ad-まった）へ申請され，日本でも 2007 年に宇宙科学研究

vanced Telescope for High-Energy Astrophysics）を所に国際共同木星圏総合探査計画ワーキンググループ抑えての選定であった．

が作られてミッション検討が始まった．

日本もこれに並行して，JMO を中心とする独自の翌年にはアメリカ（NASA）も加わり，LAPLACE は探査機開発と太陽電力セイルを融合した形での検討を

欧 日 米 の 協 同 体 制 か ら な る EJSM（Europa Jupiter

継続してきたが，セイルは重量がかさみ衛星重量が少System Mission）という枠組みへ発展する．アメリカ

なくなってしまい木星磁気圏観測のサイエンス要求をが JEO，ヨーロッパは JGO（Jupiter Ganymede Orbit-

満たせないことや，2011 年 3 月，アメリカが次期 10ヶer），そして日本が JMO をそれぞれに製作・打ち上げ年計画を発表した月惑星科学会議（LPSC）のまさに最し，現地でランデブーするという壮大な計画である．

中に起こった東日本大震災に伴う予算縮小などの影響

この経緯において，日本の JMO は打ち上げ重量の問を受け，日本単独で 2022 年の打ち上げを目指し木星

題から JGO との相乗りではなく日本独自に打ち上げ系探査機を開発するという大型の貢献案は現実的でなることになり，太陽電力セイルを使った木星到達探査いと判断され，中止となった．しかし LAPLACE の機（母船）に JMO を含む複数の小型木星周回機を搭載

提案準備段階から続いてきた日本の貢献をはじめ共同

表1：搭載する科学観測機器．

観 測 装 置JANUS（Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator）
MAJIS（Moons And Jupiter Imaging Spectrometer）
UVS（UV Imaging Spectrograph）
SWI（Submillimetre Wave Instrument）
GALA（GAnymede Laser Altimeter）
RIME（Radar for Icy Moons Exploration）
J-MAG（Magnetometer for JUICE）
PEP（Particle Environment Package）
RPWI（Radio and Plasma Wave Investigations）
3GM（Gravity and Geophysics of Jupiter and Galilean Moons）
PRIDE（Planetary Radio Interferometer and Doppler Experiment）■2013遊星人Vol22-3_製版.indd

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可視分光撮像カメラ
可視・近赤外撮像分光計
紫外撮像分光計
サブミリ波観測器
レーザ高度計レーダーサウンダ
磁力計
プラズマ環境観測パッケージ
電波・プラズマ波動観測器
重力観測器
惑星間電波干渉・ドップラー実験

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研究の深化や学会開催などの多様な協同体制が，欧州緯度観測を行う．2032 年 9 月にはガニメデの極周回軌側から寄せられる大きな信頼の礎となり，日本の複数道に乗り，全球観測へと入る．周回軌道投入直後の 5の研究者に対して JUICE 開発への協力提案が出されヶ月間は近ガニメデ点高度 200 km，遠点高度 10,000た．

km の長楕円軌道に乗り，その後は高度 5,000 km の円

ESA は 2012 年 6 月に，JUICE へ搭載する観測機器

軌道，そしてさらに高度を下げ，高度 500 km での周の公募（AO, Announcement of Opportunity）を開始．

回観測を約 3 か月，最終的には高度 200 km での観測審査を経て 2013 年 3 月には 11 の科学観測機器が選定を約 1 か月間行う．

され，うち 4 機器の開発と 2 機器の科学検討という形

JUICE が木星圏で目指す理解は，巨大ガス惑星圏で日本チームが正式に JUICE へと参加することとなにおける生命居住可能領域（ハビタブルゾーン）の発現った（表 1）．かつては日本の惑星科学コミュニティにについてであり，それに向けた巨大ガス惑星の代表格とっての「夢」に過ぎなかった木星圏探査が，ついにである木星（系）の理解，および，生命居住可能領域の自らの手で実現可能なところまできたのである．現在， 候補としての氷衛星の理解，をターゲットとしている．
日本側では JUICE を JAXA のプロジェクトとするべ

具体的な調査対象は大きく 3 つ挙げられる．衛星，木くまずは 2014 年のプリ・プロジェクト化を目指した星大気，そして木星磁気圏である．

準備を行っている．

第一に衛星調査の意義は，原始木星円盤中で形成さ4. JUICEでふたたび木星，そして氷衛星へれたと考えられるガリレオ衛星の全容を把握し，木星本体とのシステムの起源を解明することが，普遍的な惑星系形成過程の解明という惑星科学の最大目標のひJUICE は衛星エウロパ，カリストのフライバイ観とつに繋がるという点である．活発なシリケイト火山

測とガニメデの周回観測，木星本体や磁気圏プラズマを持つ衛星イオのように地球以上に地質学的に活発な環境計測などを行う．大まかなミッションスケジュー

ものから，カリストのようにほとんど活動の痕跡を示

ルを表 2 に示す．2022 年 6 月に打ち上げを予定していさないものまで，ガリレオ衛星は極めて幅の広い個性

る JUICE は，地球や金星の重力で加速しながら 7 年あを持っている．これらの個性がどのように形作られたまりの時間をかけて木星へ向かう．木星周回軌道へ入のかについて，地球との共通点と各衛星に特有の現象った後，減速し軌道半径を次第に小さくしながら 2 回とを区別しながら原因を探っていく過程こそが惑星科のエウロパのフライバイと 3 回のカリストフライバイ

学の本質であり，太陽系全体の天体，さらには系外惑を行う．その後はカリストの重力アシストによって軌星の多様性にも考察の礎を与えるだろう．ガリレオ衛

道傾斜角を最大 29 度まで上げ，9 か月間に 9 回のカリ星はその幅の広い個性において，このような問題設定

ストフライバイをしながら木星本体および磁気圏の高の格好のサンプルと言えるのである．

表2：ミッションスケジュール．

2022年6月
2030年1月

2032年9月

2033年6月■2013遊星人Vol22-3_製版.indd

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打ち上げ
地球－金星－地球－地球重力アシスト
木星周回軌道投入
木星ツアー－エウロパフライバイ2回－カリストフライバイ3回
高軌道傾斜角フェイズ－カリストフライバイ9回
ガニメデ周回軌道投入
ガニメデツアー高高度楕円軌道周回フェイズ（1か月）
高高度（5000 km）
円軌道周回フェイズ（3か月）
高高度楕円軌道周回フェイズ（1か月）
中高度（500 km）
円軌道周回フェイズ（3か月）
低高度（200 km）
円軌道周回フェイズ（1か月）
ノミナルミッション終了

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JUICE のメインターゲットである衛星ガニメデは，重要性が集約される．木星は自身が強力な固有磁場を衛星の中で太陽系最大のサイズ（半径 2631 km）を有し，持ちながら高速で回転し，その中で荷電粒子が加速さ衛星で唯一の固有磁場と磁気圏を持ち [1]，表面にはれる太陽系最強の粒子加速器となっている．またその衝突クレータで飽和した極めて古い地質ユニットと大磁気圏内部に衛星を抱えており，それら（特に毎秒 1規模な正断層が群がるユニットとが共存し [2]，内部トンの火山ガスを放出する衛星イオ）がプラズマ源や海の存在可能性が示唆されている [3] 氷衛星である．

擾乱源となることで興味深いプラズマ現象が展開してその周囲には木星磁気圏と表面氷の相互作用で生じたいる．そしてその現象が木星の極域オーロラとして写酸素を主成分とする希薄大気が存在しオーロラを輝かし出されている．オーロラは，極域上空にあると考えせている [4]．太陽系の中でこれほど多様な現象・活られる粒子加速域で加速された電子が木星大気へ降り動性を持つ固体天体は他になく，それが地球半径の 4込むことによって光る（メインオーロラやメインオー割ほどのサイズ，かつ約半分が氷から成る揮発性天体ヴァルと呼ばれる）が，その加速域は剛体回転する木で作り出されている点は非常に興味深い．またフライ星双極子磁場たる内部磁気圏と，太陽風の影響が無視バイ観測を行うエウロパでは，内部海 [5] や限局的なできない外部磁気圏との接続領域にあたり，その接続内部湖 [6] の存在が予想されており，深部の岩石核と過程やイオを源とするプラズマガスの外部への輸送過水の反応によって生成したと思われる塩が表面の亀裂

程，さらに磁力線の引き延ばしや自転からの遅延とい周辺で確認されている [7]．内部海の組成を見通す窓ったオーロラ電流系の駆動メカニズムは理解されておとしてこのような地形を調査し，物質の化学組成を厳らず，JUICE の精査によってその描像が明らかとなる．

密に特定しかつその地形依存性を把握することが，“氷また，加速場を支えている低エネルギー粒子や電磁場衛星アストロバイオロジー”の重要な次なる一歩となの様子を捉えたデータも現状では不足していることは，

ろう．同じくフライバイ観測を行うカリストでも，エ先に言及した通りである．さらに衛星との相互作用とウロパやガニメデと同様に内部海の存在可能性があるいう観点では，イオのプラズマ源としての寄与のみな[8]．地質活動の痕跡は皆無に近く極めて古い表面を持らず，公転運動に伴う磁力線の変形によって木星に生つが，クレータ底での二酸化炭素の存在 [9] に代表さじるフットプリントオーロラの発生（エウロパに対しれるように，カリストはガス惑星形成末期の化石としても同様の現象が起きている）[11] や，木星磁気圏にての状態を保持していると考えられ，その表面の分光内包されているガニメデ固有磁場の挙動，さらにはエ

観測は木星系が形成時に経た温度環境への示唆，ひいウロパ，ガニメデ，カリストの氷の表面が直接プラズては惑星形成論へひとつの制約を与える可能性がある．

マガスと相互作用し表面からイオンが供給される過程

第二に木星大気観測の重要性は，その物理的・化学なども，重要な観測ターゲットである．とりわけ留意的諸過程を把握しダイナミクスを認識すること，ならすべきは，こうした衛星周辺環境の理解が，生命居住びに，大気組成とその鉛直構造の把握を通して木星深可能系における宇宙放射線環境の把握という意味づけ部も含めたバルク組成の理解に繋げることにある．

を持つ点である．

JUICE では軌道傾斜角を上げることで可能となる木

以上，JUICE が目指すサイエンスについて駆け足

星高緯度観測によって，木星の対流圏上部から熱圏にで触れたが，次回以降のレポートでは，日本チームが至る高度範囲を全緯度帯にわたって観察し，包括的かその開発に参加している観測機器を中心に，個々の観つ長期間・高時空間解像度の風速・温度・雲・化学成測が持つサイエンスや開発状況をはじめ，関連する研分の挙動に関するデータベースが得られる（例えば究の最前線について順次より詳細に紹介していきたい．

[10]）．一方で対流圏下部以深についての直接的情報はまた，JUICE の科学的成果をより高めるために学会得られないが，探査機 JUNO によって得られる木星深セッションや研究会などを企画し，皆さんからの様々部に関する知見を補完することで，木星バルク組成のな提案やアイディアを取り入れる場を持つので，是非解明に寄与できると見込んでいる．とも多くの方々から積極的な関わりをいただければと第三の木星磁気圏観測は，磁気圏のその場観測から思っている．少し前まで「木星探査はただの夢」だっ普遍的宇宙プラズマ物理の理解への発展にその意義のた日本の惑星科学の土壌は「かぐや」や「はやぶさ」の■2013遊星人Vol22-3_製版.indd

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成功などによって一気に耕され，数々の重要な科学的知見を得る花を咲かせた．そしていま国際協力によって現実となった木星探査で地球外生命圏へのアプロー
チという大きな実りを得るために，緊張感と使命感を持って臨まねばならない．20 年後，その果実を搾りつくし味わうために．

5. 謝 辞本連載を提案していただいた谷川享行編集員とはしもとじょーじ編集委員長に感謝する．

参考文献[1] Kivelson, M. G. et al., 1996, Science 384, 537.
[2] Pappalardo, R. T. et al., 2004, in Jupiter, 363.
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