マーズ・インサイト着陸船は、太陽電池パネルが埃で覆われ、電力供給が徐々に減り 、昨年その寿命を終えた 。 4年間の研究とデータ収集を経て、NASAは2022年12月にミッションの終了を正式に宣言した。
しかし、インサイトは、火星の内部の史上最高の観察を提供し、他の惑星で地震計が初めて使用されたことにより、信じられないほどの遺産を残しました。 1 台の小さな着陸船がどのようにして惑星全体を見渡すことができたのかを知るために、InSight チームの 2 人の主要な科学者、ブリティッシュ コロンビア大学のキャサリン ジョンソンと NASA ジェット推進研究所のマーク パニングに話を聞きました。
なぜ火星の内部を研究するのでしょうか?
火星のような惑星の内部について学ぶことは、単なる抽象的な好奇心ではありません。実際、惑星の大気から歴史までのトピックを理解するには、その内部を理解する必要があります。 「火星がどのように進化してきたかを知りたいなら、なぜ過去と現在では雰囲気が異なったのでしょうか?地質学的に見て、過去と最近では火山活動の量が異なるのはなぜですか?内部構造を理解する必要があります」とジョンソン氏は語った。
「それぞれのミッションは、私たちの理解において大きな進歩をもたらします。」
しかし、探査車を使用して火星の表面から採取したサンプルを分析するのは非常に困難です。何億マイルも離れた惑星の内部がどのようなものであるかをどうやって知ることができるでしょうか?幸いなことに、私たちは地球を研究した経験があるので、これを行う方法についてのアイデアを持っています。私たちは地震波が地球内をどのように伝わるかを観察することで地球の内部構造について学びますが、火星でも同じことができます。
それが、他の惑星に着陸した最初の地震計であるインサイト着陸船に地震計を搭載する正当な理由となった。そしてその結果は、冗談を許していただければ、この世のものとは思えないものでした。
地震で揺れた
地球にはプレートがあり、何百万年にもわたって移動し、プレートがこすれると地震が発生します。現在、火星にはプレートテクトニクスはありませんが、火星地震と呼ばれる同様の地震によって揺れています。つまり、適切な機器がこれらの地震と、それらが惑星内部で跳ね返る様子を研究して、その構造についてさらに学ぶことができることを意味します。
地表からの小さな揺れを検出するには、動き回る探査車は必要ありません。代わりに、何ヶ月も何年もまったく同じ場所に留まるものが必要です。これが、InSight が固定着陸船である理由です。また、とても静かな地域にあります。
地震測定の着陸地点を選ぶときは、「基本的にはできるだけ退屈な場所が望ましい」とジョンソン氏は言う。 「信じられないほど繊細な測定を行うので、できるだけ静かに。」
日々の環境の違いを考慮して、InSight は気象センサーを使用して温度、気圧、風速などの要素も測定するため、これらの要素を地震データから差し引くことができます。おまけに、これは、InSight が小さな火星の気象観測所でもあり、設置されているエリジウム プラニティア地域の気象に関する 長年のデータを 提供してきたことを意味します。
巨大地震の測定方法
地震計はかなり基本的な機器であり、地球上で地震計を使用した経験が豊富であることを考えると、火星向けに地震計を調整することは概念的には簡単です。設計者はさまざまなレベルの重力に合わせて調整する必要があり、機器は小さな揺れを拾うために非常に敏感である必要がありました。しかし、それは簡単な部分でした。
難しいのは、そのうちの 1 つだけを使用してどうやって取得するかということでした。学校に通っていたとき、地震の発生源を三角測量するために地震を測定するには 3 つの観測点が必要であることを学んだかもしれません。しかし、火星には着陸船が 1 機しかなく、必要なデータをすべて自力で収集する必要がありました。
パニング氏は、「単一の観測点で地震の位置を特定する方法はあるが、通常はこの方法で行われない」と述べた。したがって、このアプローチが火星でどれほど効果的であるかを理解することが、ミッションを受け入れる上で重要な部分でした。 「私たちは、たった 1 つのステーションでイベントをいかにうまく見つけられるかについて、多くの時間を費やして話し合いました。」
特に地震計が他の惑星に設置されたことがなかったことを考えると、インサイトが有益な情報をすべて単独で検出できることを人々に納得させるのは簡単ではありませんでした。しかし、2018年に火星に着陸して以来、何百もの地震イベントを記録することができた。この点については「歴史が私たちを証明してきた」とパニング氏は語った。 「私たちは多くの地震の位置を特定することができました。」
地震波を理解する
InSight の仕組みを理解するには、地震波を理解する必要があります。地震波には P 波と S 波の 2 種類があります。波が地球を通過するとき、地震波はさまざまな方向に移動します。P 波の場合、物質は波の移動と同じ方向に前後に移動します。 S 波では、材料は波の方向に比べて左右に動きます。
スリンキーについて考えてみましょう。スリンキーの長さに沿って波を押し出すことは P 波に相当します。また、スリンキーを左右に揺動させることもできます (S 波に相当します)。
地震の震源を特定できれば、その情報を利用して地球の内部について知ることができます。
InSight は、これらのタイプの両方の波を検出し、それらを使用して地震の発生源を検出できます。地震が発生した距離を調べるには、2 種類の地震波が異なる速度で伝わるため、地震波が着陸船に到達した時間を調べることができます。 P 波の到着と S 波の到着の間の時間的間隔により、距離がわかります。
ソースの場所を特定するのは少し複雑です。このプロセスでは、地震波の偏光と呼ばれる特性を使用します。これは、波内の動きの方向を指します。 「つまり、たとえば P 波が東から入ってくる場合、その粒子の動きは東西方向に移動することになります。彼らは南北に進むつもりはない」とパニング氏は説明した。
その偏光を利用して、波が到来する方向を割り出すことができます。 「したがって、地震がPとSのタイミングからどのくらい離れているかがわかれば、そして波の偏光から地震がどの方向に来たのかがわかれば、位置がわかります」とパニング氏は言う。
内部を覗いてみると
地震の震源を特定できれば、その情報を利用して地球の内部について知ることができます。火星の内部構造は、溶けた核、マントル、地殻からなる層で構成されていることがわかっています。しかし、InSight が登場するまでは、各層の厚さを十分に理解していませんでした。
抽象的に聞こえるかもしれませんが、地球の歴史から今日の状態に至るまで、あらゆる種類の問題を理解するためには、地球の奥深くを理解することが不可欠です。 「地球がどのように冷却し、それに何が起こったのか、過去に磁場があったのか、現在も磁場があるのか、そのような疑問は地球深部に決定的に依存している」とジョンソン氏は語った。
そこで、InSight は火事地震からデータを取得して、層の深さを測定しました。各層は異なる材料特性を持っているため、それぞれが異なる波の地震波と相互作用します。これにより、研究者は各層の厚さと特性を解明することができます。
地殻を研究するには、受信機関数と呼ばれる手法を使用します。 P 波が地殻の端などの境界に当たると、その一部が S 波に変換されます。次に、この変換された S 波エネルギーが P 波より少し遅れて到着することがわかり、それによって地殻の厚さがわかります。
溶けた核を研究するには、核とマントルの境界で跳ね返るエネルギーを探します。大きな地震が発生すると、S 波がこの境界に当たり、反射して受信機に跳ね返される可能性があります。 ScS 波と呼ばれるこの特定の種類の波として識別できる適切な偏光を持つ到来波を探すことができ、これによりコアの半径を割り出すことができます。
マントルを研究するために、研究者たちは、マントルの温度を知るために、波がこの層を通過する速さを知りたいと考えていました。このために、PP 波と呼ばれる、惑星の表面で反射した波を探します。これらの反射が元の P 波よりも遅れて受信機に到着することがわかり、波の伝搬速度がわかります。
未来を見据えて
このようにして、InSight は火星の内部に関するこれまでで最も正確な情報を収集し、 地殻内のさまざまな下層を発見し、核のサイズを正確に特定することが できました。これは地球を理解する上での大きな一歩であり、InSight の運用開始からわずか数年以内に達成されました。これは、InSight が火星科学に残す遺産です。
「それぞれのミッションは、私たちの理解において大きな進歩をもたらします。今回の場合、それは火星の内部と着陸船の表面環境についての私たちの理解において大きな進歩です」とジョンソン氏は語った。
InSight が提供する火星の内部のより深い理解は、計画されている火星サンプルリターンミッションから、最終的には宇宙飛行士が直接赤い惑星を訪れるという長期計画に至るまで、将来のミッションをサポートするでしょう。そして、 火星の自転が年々速くなっている という最近の発見など、着陸船からの結果は今でも発見に使用されています。
そのため、インサイトのミッションは終了したが、ジョンソンと彼女のチームは、このミッションが達成したことと火星科学の将来について楽観的である。
「どんなミッションも、この素晴らしい旅です」とジョンソン氏は語った。 「何かが終わる時はいつも悲しい瞬間です。しかし同時に、このミッションがどのように捜査の次のステップを可能にしたのかを考えるのにも多くの時間を費やします。」