ボイジャーの仕組み

この瞬間、1977 年に地球から打ち上げられた 2 機の宇宙船が時速 30,000 マイル (48,280 km/h) 以上の速度で宇宙を駆け抜けています。どちらも数十億マイル離れており、他のどの人工物よりも地球から遠く離れています。 2012 年 8 月 25 日、そのうちの 1 機が星間空間に到達し、太陽系を離れた最初の宇宙船となりました。

ボイジャー 1 号と 2 号は、潜在的な異星文明に暗号化されたメッセージを運びます。彼らはすでに科学者たちに、太陽系の最外層であるヘリオシースについて多くのことを教えてきました。しかし、これらはどれも設計されたものではありません。

ボイジャー宇宙船は、外惑星 (木星、土星、海王星、天王星) を通過し、それらを詳しく研究するために作られ、人類史上初めて、それらを間近で観察しました。この探査機は見事に成功し、惑星科学を飛躍的に進歩させました。彼らが地球上で最も長距離の探検家となり続けたのは、主な使命を達成した後でした。

しかし、そもそもミッションが可能だったのは非常に幸運とタイミングの問題だった。そしてそれと同じくらい不運が重なって、ボイジャー計画は地上に飛び立つ前にほぼ頓挫しそうになった。これらの野心的なミッションは、軌道軌道に関する科学と数学の新たな進歩の産物でしたが、高価なスペースシャトル計画が支持され、ほとんど道端に投げ捨てられました。現在行われているほぼすべての無人宇宙ミッションは、ボイジャーによって得られた知識と経験に依存しています。

不格好なボイジャー宇宙探査機と、そこに搭載されているすべての技術機器を詳しく見ていきます。開発段階から地球から数光年離れた最終的な運命に至るまで、彼らの軌跡をたどります。途中、太陽系最大の惑星にも立ち寄ります。各ボイジャーが地球外生命体へのメッセージとして運んでいるゴールデン レコードには何が書かれているのか気になるなら、試してみましょう。宇宙人が彼らを見つけることはあるでしょうか？

ボイジャー 1 号と 2 号: グランド ツアー

1970 年代は米国の宇宙開発の過渡期でした。アポロ計画は終わりに近づき、 NASA は有人宇宙飛行がどのような形になるかを検討していました。マリナーのミッションは、火星、金星、水星を通過する (場合によっては周回する) 探査機を送り込むことで、内惑星に関する私たちの知識を広げました。マリナー船のミッションを外惑星のいくつかに送るという暫定的な計画もあったが、化学ロケット推進を使用する場合、そのような旅には15年以上かかるだろう。

同時に、重力を利用した軌道軌道の科学でも重要な進歩が見られました。関連する数学と物理学はかなり複雑ですが、基本的な考え方は、宇宙船が適切な軌道をたどっている限り、近くの惑星の重力を利用して速度を大幅に高めることができるということです。惑星の質量が大きいほど重力が強くなり、後押しも大きくなります。つまり、宇宙探査機が木星(太陽系で最も重い惑星) に到達すると、木星の重力をパチンコのように利用して、より遠くの惑星の探索に向かうことができるということです。

1965 年、ゲイリー フランドロという名前の技術者は、1970 年代半ばには、一連の重力補助ブーストを使用して宇宙船がすべての惑星を訪問できるような方法で外惑星が整列するであろうことに気づきました [出典:エヴァンス] ]。この特定の配列は、単なる一生に一度の出来事ではなく、その後 176 年間は再び発生しないでしょう。このようなミッションを達成するための技術的能力が、惑星がそれを可能にするために整列する数年前に開発されていたのは、驚くべき偶然でした。

当初、グランドツアーとして知られるこの野心的なプロジェクトは、すべての外惑星を訪問するために一連の探査機を派遣する予定だった。しかし、1972 年には、このプロジェクトの予算予測は 9 億ドルに近づき、 NASA はスペースシャトルの開発を計画していました [出典: Evans ]。莫大なシャトル開発コストが迫ったため、グランドツアーは中止され、より控えめなミッションプロファイルに置き換えられた。これはマリナー計画の拡張であり、マリナー木星・土星ミッション (MJS)と呼ばれます。マリナー プラットフォームをベースにし、パイオニア 10 の 1973 年の木星のフライバイから得られた知識をもとに改良された新しい探査機は、最終的にボイジャーという名前になりました。設計は 1977 年に完了しました。楽観的な NASA エンジニアは、木星と土星(およびその衛星の一部) を訪問する最初のミッションが成功すれば、重力を利用した軌道を利用して天王星と海王星に到達できるかもしれないと考えました。グランツールのアイデアがちらつきました。

ボイジャーの最終的なミッション計画は次のようになりました。2 機の宇宙船 (ボイジャー 1 号とボイジャー 2) が数週間間隔で打ち上げられます。ボイジャー1号は、比較的近い距離から木星といくつかの木星の衛星を通過し、スキャンして写真を撮影する予定だった。ボイジャー 2 号も木星を通過する予定ですが、より控えめな距離で飛行します。すべてがうまくいけば、両方の探査機は木星の重力によって土星に向かって飛び出すことになる。その後、ボイジャー 1 号は土星、特に環と衛星タイタンを調査する予定です。その時点で、ボイジャー 1 号の軌道は、太陽系の黄道(惑星の軌道面) の外に出て、他のすべての惑星から遠ざかり、最終的には太陽系自体の外に出ることになります。

一方、ボイジャー 2 号は土星と土星の衛星のいくつかを訪問する予定です。それが完成したときにまだ適切に機能していれば、土星​​の重力によって後押しされて天王星と海王星を訪れ、その後黄道を離れて太陽系を出ることになるでしょう。これは長期戦になると考えられていましたが、驚くべきことにすべてが計画通りに進みました。

次に、ボイジャーはどのようなハードウェアを宇宙に運びましたか?

ボイジャーの装備

両方のボイジャー宇宙船は同一です。宇宙では空気力学的摩擦を心配する必要がないため、洗練された空気力学的デザインはありません。重量は 1,592 ポンド (722 kg) で、メイン バス、高利得アンテナ、科学機器と電源を保持する 3 つのブーム、および他の 2 つのアンテナで構成されています。

メインバスはボイジャーの車体です。これは直径 5.9 フィート (1.8 メートル) の 10 面の箱で、いくつかの科学機器、電子機器、ロケット推進器用の燃料タンクが含まれています。スラスターは、宇宙空間を移動するときに宇宙船の向きを変えるために使用されます。

メインバスの上部に取り付けられた高利得アンテナは直径 12 フィート (3.7 メートル) で、パラボラアンテナのように見えます。このアンテナは、ボイジャーが地球からコマンドを受信し、収集したデータを送り返す方法です。ボイジャー宇宙船がどこを飛んでも、高利得アンテナは常に地球の方向を向いています。

メインバスから伸びているブームの 1 つは、ボイジャーの放射性同位体熱電電源を搭載しています。二酸化プルトニウムのペレットは自然崩壊によって熱を放出します。この熱は、一連の熱電対を使用して電気に変換されます。出力はそれほど強力ではありませんが、ボイジャーに搭載された電子機器や計器に非常に長い間電力を供給します。電力は 2020 年まで完全に枯渇すると予想されている。電力供給装置は放射線が他の科学機器に干渉しないようにブームの上に置かれていた。

他の 2 つのブームには一連の機器が搭載されています。これらには次のものが含まれます。

[出典:エヴァンス、デスロフ、ショーン]

おそらく、一般の人に関する限り、ボイジャーに搭載されている最も重要な機器はカメラでしょう。また、計器ブームに取り付けられたカメラは、広角バージョンと狭視野バージョンの両方で 800×800 の解像度を備えています。カメラは外惑星の前例のない写真を返し、これまで見たことのない太陽系の景色を私たちに提供してくれました（地球と地球の月の両方を同じフレームに映した有名な出発ショットを含む）。カメラを搭載したブームは、機体の他の部分から独立して動かすことができました。

ボイジャーのコンピュータ システムも非常に印象的でした。宇宙船が宇宙に行くほど、地球からの指令と応答の間の遅れが長くなり、宇宙船がほとんどの時間単独で動作することを知っていたエンジニアは、自己修復コンピュータ システムを開発しました。コンピューターには、受信したデータと決定した出力命令を比較する複数のモジュールがあります。 1 つのモジュールが他のモジュールと異なる場合、そのモジュールは障害があるとみなされ、システムから削除され、バックアップ モジュールの 1 つと置き換えられます。打ち上げ直後にテストが行​​われたが、ブーム展開の遅れが故障と誤認された。問題は正常に修正されました。

次のセクションでは、ボイジャーのミッションから何がわかったのかを見ていきます。

海王星、そしてその先へ

ボイジャーの生涯ミッション費用は 7 億 5,000 万ドルを超えましたが、1989 年までに宇宙船はブリタニカ百科事典の 6,000 版を埋めるのに十分な科学データを返しました [出典:エヴァンス]。搭載されている科学モジュールは、全米の研究チームから提出された提案から選ばれました。ボイジャーのミッションから私たちが得た木星、土星、天王星、海王星(およびそれらの衛星の多く) に関する情報は、量が膨大であるだけでなく、影響力も大きかったです。これは全米の学校の科学教科書を形成し、太陽系に対する一般の認識を知らせ、現代の宇宙計画の基礎を築きました。外惑星について私たちが知っていることの多くはボイジャーから得られたものです。人類がこれまで体験したことのない視点から撮影された何千枚もの写真は言うまでもありません。木星と土星のこれらの輝かしい画像は人々の想像力を刺激し、将来の宇宙探査への熱意を刺激しました。

ボイジャーから、私たちは木星の天気についてさらに学びました。木星、土星、天王星の周りの環。木星の衛星イオの火山活動。土星の衛星の質量と密度。土星最大の衛星であるタイタンの大気圧。天王星の磁場。そして、海王星には地球と同じくらいの大きさの永続的な気象システムがあり、大暗斑として知られています。ボイジャー 2 号が海王星に到着したのは 1989 年でした。打ち上げから 10 年以上が経過し、当初のミッションに取り組んでいた科学者の多くは去っていました。ボイジャーは、それぞれ 1979 年、1981 年、1986 年に木星、土星、天王星のそばを通過しました。

それで、彼らは今どこにいるのでしょうか？ 2人のボイジャーは一緒にいません。ボイジャー 1 号は (太陽系から出た地球の方向に対して) 北に移動しており、一方、ボイジャー 2 は南に移動しています。 2007年に、彼らは両方とも太陽系の最も外側の部分であるヘリオシースに入りました。そこでは、太陽風が星間磁場と出会い、衝撃波との境界を形成します。ボイジャーは衝撃波を横切ってデータを送り返し、天文学者にヘリオシースの形状と位置についての最初のアイデアを与えました。 2013年9月21日、ボイジャーの科学者は、ボイジャー1号が2012年8月25日に太陽系を離れたと報告した。

ボイジャーの一部の機器は機能しなくなっていますが、重要な情報を送り続けています。 1977 年以来継続的に道路を走り続けている車を想像してみると、これらの宇宙船がどれほど素晴らしいかがわかるでしょう。現在の距離では、光の速さで伝わる無線信号が地球に到達するまでに 14 時間以上かかります。この宇宙船は方向転換スラスター用の燃料が不足しており、プルトニウムも枯渇するため、数年以内に一部の機器の電源をオフにする必要がある。 2020年までに、彼らは暗くなり、沈黙するでしょう。

それでも、彼らは現在の軌道を続け、時速 30,000 マイル (48,280 km/h) を超えて移動し、天の川に向かって弧を描きながら数万年続くでしょう。宇宙には大気がないため、腐食することはなく、星間空間では衝突する可能性がほとんどありません。彼らが別の星から数光年以内に到達するまでに約4万年かかります。ボイジャーは何十万年、あるいは何百万年も旅をしている可能性があります。

いつかボイジャーたちが知的異星文明に出会ったらどうなるでしょうか?私たちは彼らにメッセージを残しました。

ボイジャーのゴールデンレコード

NASA は、ボイジャーが最終的には太陽系の端を越えて旅するだろうと認識したとき、いつかボイジャーを発見するかもしれない知的宇宙人に対して、何らかのメッセージを含めることが得策かもしれないと判断しました。天文学者カール・セーガン率いる委員会がこれらのメッセージをまとめた。これらは金メッキの銅製ディスクに収録されており、ビニール レコード アルバムと同じように刻印されています。ディスクの一部には、さまざまな音楽、55 の異なる言語 (非常に知られていない言語や絶滅して久しい言語も含む) で話される挨拶、厳選された自然の音などの音声情報が含まれています。ディスクには、デコード用の指示とともにディスク上の振動としてエンコードされた 122 枚の画像も含まれています。

各ディスクのカバー プレートには、レコードの再生方法を示すいくつかの記号があります (スタイラスと取り付け用プラッターも含まれています)。画像のデコード命令が明らかになり、「画像開始」信号、画像のアスペクト比、最初の画像の再生が記述されているため、エイリアンはそれが正しかったかどうかを知ることができます。地球の位置を明確に示す星図が写真を完成させます。

宇宙人たちが、発見したボイジャーがどのくらいの期間移動していたのか疑問に思ったら、記録の近くのメインバスに取り付けられたウラン 238 の破片を調べることができます。同位体比を調べることで（ウラン 238 の半減期を知っていると仮定して）、サンプルが宇宙にどれくらいの期間存在していたかを推定することができました。

宇宙人がレコードをかけるとどんな音楽が聞こえるでしょうか?ネイティブ アメリカンの聖歌、スコットランドのバグパイプ、アフリカの儀式音楽など、さまざまな文化の伝統的な音楽がほとんどです。それはまた、クラシック音楽の「ベストヒット」コレクションのようなものでもあります。最も現代的な曲は、チャック・ベリーの「ジョニー・B・グッド」とルイ・アームストロングのジャズナンバーです。

記録されている画像は多岐にわたり、地球の地図、太陽系の他の惑星の画像、さまざまな動物の写真、そして人間のいくつかの画像が含まれています。カール・セーガンはこの記録について『地球のつぶやき』という本を書きました。数十年後に付属の CD-ROM がリリースされました。

ボイジャーの円盤は、パイオニア 10 号とパイオニア 11 号に設置された銘板に似ていますが、ボイジャーの円盤の作成者は、エイリアンがそれを解読できるかどうかを確認するために多くの時間を費やしました。多くの地球科学者は、パイオニアの銘板にある情報を解読できませんでした。当時、ボイジャー円盤を発見した敵対的な異星人が地球に直接導く地図を持っているのではないかと懸念する声もあった。しかし、ボイジャーは別の星に近づくまでに数万年を星間空間で過ごすことになるため、この問題は差し迫った懸念ではない。もし円盤が発見されれば、人類が存在しなくなるずっと先の未来になるかもしれない。

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