ボイジャー 1 号とボイジャー 2 号: 太陽系の端の探査

ボイジャー探査機: 収集された軌跡とデータ

NASA が 1977 年に打ち上げた探査機ボイジャー 1 号とボイジャー 2 は、宇宙工学の偉業であり物理的な偉業を表しています。 彼らの当初の目標は、太陽系外縁部の巨大惑星である木星、土星、天王星、海王星の探査と、これらの距離にある惑星環境、磁場、エネルギー粒子の研究でした。 彼らは現在、惑星での使命を超えて、太陽系の境界と星間空間に向かう軌道を追求しており、太陽圏と星間物質の構造に関する貴重なデータを提供しています。

物理原理と搭載機器

各プローブには科学機器が装備されており、荷電粒子（プラズマ）、磁場、電波のほか、さまざまな波長の画像やスペクトルを測定できます。 物理的レベルでは、それらの軌道は、多体フレームワークにおける非ニュートン軌道力学の現象である重力補助を利用して、太陽重力井戸からの出口速度を増加させます。 たとえば、ボイジャー 2 号はこれらの操縦を利用して天王星と海王星の近くを通過しましたが、ボイジャー 1 号は異なる軌道で銀河面に向かって加速することができました。

太陽系の果ての探検: ターミナルショックとヘリオポーズ

探査機は重要な物理的境界を越えました。 最初の終末衝撃は、星間物質によって及ぼされる圧力の影響で超音速太陽風が突然減速するゾーンに対応します。 ボイジャー 1 号は 2004 年に、ボイジャー 2 号は 2007 年にこの地点を通過しました。さらに、探査機は太陽風の動圧が星間物質によって平衡する限界である太陽圏界面に到達しました。 これらのエリアは、プラズマ密度、磁場、搭載機器によって検出される高エネルギー粒子の複雑な変化によって特徴づけられ、極限条件下でのプラズマ物理学のためのユニークな自然実験室を提供します。

物理データと宇宙物理学への影響

ボイジャーによる測定により、これらの領域の局所的な電子密度、プラズマ温度、磁気乱流を特徴付けることが可能になりました。 たとえば、ボイジャー1号からのデータは、予想よりも強い星間磁場を明らかにし、太陽風と星間物質の間のよりダイナミックな相互作用を示唆しています。 この探査機により、銀河宇宙線の研究も可能になります。銀河宇宙線の変調は太陽圏の限界に大きく依存し、惑星に影響を与える宇宙環境を理解するための重要なパラメータとなります。

ボイジャー 1 号およびボイジャー 2 号との通信障害

ボイジャー 1 号およびボイジャー 2 号との通信は、これらの探査機が到達する距離が非常に遠いため、技術的および物理的に大きな課題となります。 2025 年、ボイジャー 1 号は地球から 230 億キロメートル以上離れており、ボイジャー 2 号は 190 億キロメートル以上離れており、これは無線信号の遅延時間が往復で 20 ～ 22 時間程度であることを意味します。 この距離により、いくつかの基本的な制約が生じます。

信号強度の損失

プローブが発する無線信号は、距離の逆二乗則に従って強度が失われるため、非常に弱くなります。 初期送信電力は制限されている (約 20 ワット) ため、NASA の深宇宙ネットワーク (DSN) などの地上アンテナは、非常に高いバックグラウンド ノイズの中で有用な情報を抽出するために、非常に大きなパラボラ アンテナ アレイと、相関や高感度の復調などの高度な信号処理技術を使用する必要があります。

クロックドリフト

キャリア周波数の安定性は非常に重要です。プローブには水晶発振器が使用されており、その精度にもかかわらず、数十年にわたってドリフトが発生します。 これらの変動を補償するために、地球局はクロックを超高精度の原子標準に同期させ、通信では誤り訂正符号 (畳み込み符号化など) を使用して、電磁障害や惑星間媒体の伝播現象によって引き起こされる情報損失を最小限に抑えます。

アンテナの向き

プローブの高利得アンテナの正確な方向が重要です。 電波ビームを地球に向けるためには、この方向を数マイクロラジアンのオーダーの角度精度で維持する必要があります。 この姿勢制御は、ジャイロスコープ、加速度計、スター センサーと、非常に低推力の推進システム (ヒドラジン スラスター) を組み合わせることによって実現されます。 故障や逸脱が発生すると、信号が失われる可能性があります。

エネルギーの損失

プルトニウム 238 が崩壊するにつれて放射性同位体熱電発電機 (RTG) の出力が低下するため、通信システムに電力を供給するために利用できる電気エネルギーは時間の経過とともに減少します。 この低下により送信出力と科学機器の使用時間が制限されるため、ミッションを延長する上でエネルギー管理が重要な問題となります。

ボイジャー 1 号および 2 号との通信には、極限条件下での電磁波物理学、搭載システム工学、およびエネルギー管理の高度な組み合わせが含まれており、これは星間宇宙探査の現在の限界を示しています。

ボイジャー1号は振り返ることなく私たちを去っていきます：「ペールブルードット」

として知られているイメージ「ペールブルードット」これは、1990 年 2 月 14 日に探査機ボイジャー 1 号によって撮影された最も象徴的な写真の 1 つです。 地球から約 60 億キロメートル離れたボイジャー 1 号は、カメラを地球に向けて訓練し、広大な惑星間空間の中に浮遊する小さな光の点を捉えました。

この画像は、地球の大気と宇宙の塵によって散乱された太陽光の拡散ビームの中でかろうじて見える小さな青みがかった点として地球を明らかにしています。 物理的な観点から見ると、これは私たちのランドマークの相対性を示しています。既知のすべての生命の源である私たちの惑星は、宇宙の深遠な広がりと比較すると、ほとんど取るに足らないものに見えます。

有名な天体物理学者カール・セーガン(1934-1996) はこの写真に深くインスピレーションを受けて作品を書きましたペールブルードット：宇宙における人類の未来のビジョン。 この本の中で、彼は地球のもろさと独自性について思いを巡らせ、感情を込めて次のように強調しています。この点をもう一度見てください。ここです。それは私たちの家です。それは私たちです。この文は、重要な哲学的および科学的認識を示しています。つまり、私たちが偉大だと思われているにもかかわらず、私たちの文明は宇宙の暗闇に浮遊するこの小さな小石の上に成り立っているということです。

技術的な観点から見ると、この画像を生成するには、探査機と地上管制装置の間で特別な調整が必要でした。特に、光信号のグレアや消散に関連するリスクを最小限に抑えながら、メインカメラを通常の向きから離して太陽の後ろの地球を撮影する必要がありました。 このショットは、謙虚さへの深い誘いであると同時に、空間工学の偉業を表しています。

このように、「ペール・ブルー・ドット」は、単純な科学的イメージとしての地位を超えて、宇宙探査の強力なシンボルとなり、人類に自分たちのユニークな惑星を保護し、知恵と責任をもって広大な宇宙の中で自分たちの将来を考える必要性を思い出させます。