微小隕石
南極の雪から採取された微小隕石は、地球の大気圏に入る前は微小隕石であった。

微小隕石とは、宇宙空間に存在する微小な岩石粒子で、通常1グラム未満の重さです。微小隕石とは、地球の大気圏を通過して地表に到達したこのような粒子のことです。

「微小隕石」という用語は、天文学者の主要な国際団体である国際天文学連合によって2017年に「隕石」と重複するとして正式に廃止されました。 [ 1 ]宇宙工学では、宇宙船に衝突して損傷を与える可能性のある、小さくて検出が困難な物体を指すために引き続き使用されています。[ 2 ]

起源と軌道

微小隕石とは、太陽系誕生にまで遡る大きな岩石やデブリから砕け散った、非常に小さな岩石や金属片のことです。微小隕石は宇宙で非常によく見られます。これらの微粒子は宇宙風化作用の大きな要因です。月面や空気のない天体（水星、小惑星など）に衝突すると、溶融と蒸発によって表土が黒ずみ、その他の光学的変化を引き起こします。

微小隕石は、質量に対する表面積の比が大きいため、流星体よりも軌道が不安定です。地球に落下する微小隕石は、太陽系星雲におけるミリメートル規模の加熱現象に関する情報を提供します。隕石および微小隕石（地球表面に到達した際にこのように呼ばれます）は、地球の堆積作用がない地域、典型的には極地でのみ採取できます。採取された氷は、その後融解され、ろ過されて、顕微鏡下で微小隕石を採取することができます。

十分に小さい微小流星体は、地球の大気圏に突入しても大きな加熱を受けません。 [ 3 ]このような粒子の高高度飛行航空機による収集は 1970 年代に始まり、[ 4 ]成層圏で収集された惑星間塵のサンプル(地球外起源であることが確認される前はブラウンリー粒子と呼ばれていました) は、それ以来、地球上の研究室で研究できる地球外物質の重要な構成要素となっています。

歴史研究

1946年、ジャコビニド流星群の際、ヘルムート・ランツベルクは流星群に関係すると思われるいくつかの小さな磁性粒子を収集しました。[ 5 ]フレッド・ウィップルはこれに興味をそそられ、このサイズの粒子は上層大気に遭遇しても速度を維持するには小さすぎることを示す論文を発表しました。代わりに、粒子は急速に減速し、溶けることなく地球に落下しました。彼はこの種の物体を分類するために、「微小隕石」という用語を考案しました。[ 6 ]

速度

ウィップルはハーバード天文台のフレッチャー・ワトソンと共同で、観測可能な流星の速度を直接測定するための観測所の建設を主導した。当時、微小隕石の発生源は不明であった。新しい観測所での直接測定によって流星の発生源が特定され、物質の大部分は彗星の尾から残されたもので、太陽系外起源であると証明されたものは一つもないことが示された。[ 7 ]今日では、あらゆる種類の流星体は太陽系の形成時に残された物質であり、惑星間塵の雲の粒子、または彗星のようにこの物質から形成された他の天体から構成されていることが理解されている。[ 8 ]

フラックス

アポロ16号の月サンプル61195には、微小隕石の衝突による「ザップピット」の模様が見られる

初期の研究は、もっぱら光学測定に基づいていた。1957年、ハンス・ペッターソンは地球への宇宙塵の落下に関する初の直接測定の一つを実施し、その量を年間14,300,000トンと推定した。[ 9 ]これは、宇宙における流星物質のフラックスが望遠鏡の観測に基づく数値よりはるかに高いことを示唆した。このような高いフラックスは、高軌道を周回するアポロ宇宙船や月へのミッションに非常に深刻なリスクをもたらした。直接測定が正確かどうかを判断するために、ペガサス衛星プログラム、ルナ・オービター1号、ルナ3号、火星1号、パイオニア5号など、多数の追加研究が続いた。これらの研究により、大気圏に排出される流星の速度、つまりフラックスは年間約10,000～20,000トンで、光学測定と一致していることが示された。[ 10 ]サーベイヤー・プログラムでは、月の表面は比較的岩が多いことが判明した。[ 11 ]アポロ計画中に持ち帰られた月のサンプルのほとんどには、上面に「ザップピット」と呼ばれる微小隕石の衝突痕が残っている。[ 12 ]

宇宙船の運用への影響

ソーラーマックス衛星のパネルにできた軌道上のデブリの穴の電子顕微鏡写真

微小隕石は宇宙探査にとって重大な脅威となる。軌道上の宇宙船に対する微小隕石の平均速度は秒速10キロメートル（時速22,500マイル）である。微小隕石の衝突に対する耐性は、宇宙船および宇宙服の設計者にとって重要な設計課題である（耐熱微小隕石服を参照）。ほとんどの微小隕石はサイズが小さいため、受ける損傷は限定的であるが、高速衝突は宇宙船の外装をサンドブラストに似た方法で継続的に劣化させる。長期曝露は宇宙船システムの機能を脅かす可能性がある。[ 13 ]

超高速（秒速10キロメートル）の小型物体による衝突は、現在、終端弾道学の研究分野となっている（ただし、物体をそのような速度まで加速することは困難であり、現在の技術としてはリニアモーターや成形炸薬などが挙げられる）。衛星のように長期間宇宙空間に留まる物体の場合、そのリスクは特に高くなる。[ 13 ]また、ロータリー式揚力機、宇宙エレベーター、軌道飛行船といった理論上の低コスト揚力システムにおいても、大きな技術的課題を突きつける。 [ 14 ] [ 15 ]

宇宙船の微小隕石遮蔽

軌道上の宇宙船に軌道上の破片が衝突したときに何が起こるかをシミュレーション中に撮影された、超高速衝突の「エネルギーフラッシュ」

ウィップルの研究は宇宙開発競争が始まる以前から行われており、わずか数年後に宇宙探査が始まった際に有用であることが証明された。彼の研究は、宇宙船を破壊するほどの大きさの隕石に衝突する可能性は極めて低いことを示した。しかし、宇宙船は塵粒ほどの大きさの微小隕石にほぼ常に衝突することになる。[ 7 ]

ウィップルは1946年に既にこの問題の解決策を開発していた。当初は「流星バンパー」と呼ばれ、現在ではウィップルシールドと呼ばれるこのシールドは、宇宙船の機体から少し離れた位置に薄い箔を張った構造である。微小隕石がこの箔に衝突すると、蒸発してプラズマとなり、急速に拡散する。このプラズマがシールドと宇宙船の隙間を通過する頃には、拡散が著しく、下部の構造材料を貫通することができなくなる。[ 16 ]このシールドにより、宇宙船の機体は構造的な完全性を保つために必要な厚さにまでしか作られず、箔による重量増加もほとんどない。このような宇宙船は、隕石を直接阻止するように設計されたパネルを備えた宇宙船よりも軽量である。

大部分の時間を軌道上で過ごす宇宙船では、数十年にわたって何らかの形のウィップルシールドがほぼ普遍的に使われてきました。[ 17 ] [ 18 ]その後の研究では、セラミック繊維織りのシールドは、同等の重さのアルミニウムシールドよりも超高速（約 7 km/s）粒子に対して優れた防御力を発揮することが示されました。 [ 19 ]別の現代的な設計では、NASAの未飛行のTransHab拡張型宇宙居住モジュールの設計のように、多層の柔軟な布を使用しています。 [ 20 ]ビゲロー拡張型活動モジュールは、2016 年 4 月に打ち上げられ、 2 年間の軌道テストのためにISSに取り付けられました。[ 21 ] [ 22 ]

脚注

  1. ^ IAU委員会F1（2017年4月30日）「流星天文学における用語の定義」（PDF）国際天文学連合。2020年7月25日閲覧。
  2. ^ロドマン、イェンス、ミラー、アナトリ、トラウド、マーティン、ブンテ、カール・D、ミリンガー、マーク (2021). 「惑星間ミッションにおける微小隕石衝突リスク評価」2025年11月2日閲覧。
  3. ^ P. Fraundorf (1980) 大気圏で溶融せずに減速した微小隕石の最高温度分布Geophys. Res. Lett. 10 :765-768.
  4. ^ DE Brownlee、DA Tomandl、E. Olszewski (1977)「惑星間ダスト：実験室研究のための地球外物質の新たな供給源」、 Proc. Lunar Sci. Conf. 8th :149-160。
  5. ^ Fred Whipple、「微小隕石の理論、第1部：等温大気中」、Wayback Machineで2015年9月24日にアーカイブ、米国科学アカデミー紀要、第36巻第12号（1950年12月15日）、667-695頁。
  6. ^フレッド・ホイップル、「微小隕石の理論」。Wayback Machineに2015年10月17日アーカイブ、 Popular Astronomy、第57巻、1949年、517ページ。
  7. ^ a bフレッド・ホイップル (1951). 「彗星モデル II. 彗星と流星の物理的関係」 .アストロフィジカル・ジャーナル. 113 : 464–474 . Bibcode : 1951ApJ...113..464W . doi : 10.1086/145416 .
  8. ^ Brownlee, DE; Tomandl, DA; Olszewski, E. (1977). 「1977LPI.....8..145B 惑星間塵：実験室研究のための新たな地球外物質源」第8回月科学会議議事録. 1977 : 149–160 .書誌コード: 1977LPI.....8..145B .
  9. ^ハンス・ペッターソン、「宇宙の球状粒子と隕石の塵」サイエンティフィック・アメリカン、第202巻第2号（1960年2月）、123-132頁。
  10. ^ Andrew Snelling、David Rush、「Moon Dust and the Age of the Solar System」、Wayback Machineで2011年5月12日にアーカイブ。Creation Ex-Nihilo Technical Journal、第7巻第1号（1993年）、2～42ページ。
  11. ^アンドリュー・スネリングとデビッド・ラッシュ。「月の塵と太陽系の年齢」。Wayback Machineで2012年3月9日にアーカイブ。Creation Ex-Nihilo Technical Journal、第7巻第1号、1993年、2～42ページ。
  12. ^ウィルヘルムズ、ドン・E.（1993）、岩だらけの月へ：地質学者による月探査の歴史、アリゾナ大学出版、p.97  、ISBN 978-0816510658
  13. ^ a bロドリゲス、カレン（2010年4月26日）「微小隕石と軌道上デブリ（MMOD）」www.nasa.gov。2009年10月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年6月18日閲覧。
  14. ^スワン, ピーター A.; レイット, デビッド I.; スワン, キャシー W.; ペニー, ロバート E.; ナップマン, ジョン M. (2013). 『宇宙エレベーター：技術的実現可能性と今後の展望』 バージニア州, 米国: 国際宇宙航行アカデミー. pp.  10– 11, 207– 208. ISBN 9782917761311。
  15. ^スワン、P.、ペニー、R. スワン、C. 宇宙エレベーターの生存性と宇宙デブリの軽減、Lulu.com Publishers、2011
  16. ^ブライアン・マースデン、「フレッド・ウィップル教授：彗星は『汚れた雪玉』だというアイデアを考案した天文学者」。 2018年2月11日アーカイブ。The Independent、2004年11月13日。
  17. ^ Fred Whipple、「彗星と流星について」、Wayback Machineで2008年6月29日にアーカイブ、 Science、第289巻第5480号（2000年8月4日）、728ページ。
  18. ^ Judith Reustle (キュレーター)、「シールド開発：基本概念」、Wayback Machine 2011年9月27日アーカイブ、NASA HVIT。2011年7月20日閲覧。
  19. ^セラミック繊維が宇宙時代の保護を提供Archived 9 March 2012 at the Wayback Machine , 1994 Hypervelocity Impact Symposium
  20. ^ Kim Dismukes (キュレーター)、「TransHab Concept」、Wayback Machineで 2007 年 6 月 1 日にアーカイブ、NASA、2003 年 6 月 27 日。2007 年 6 月 10 日に閲覧。
  21. ^ Howell, Elizabeth (2014年10月6日). 「来年宇宙ステーションに向けてプライベートインフレータブルルームが打ち上げられる」 Space.com . 2014年12月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年12月6日閲覧。
  22. ^ “ISS welcomes CRS-8 Dragon after flawless launch” . 2016年4月9日. 2016年4月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年5月14日閲覧。

参照

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