ケスラー症候群

ウィリー・レイは1960年に「いずれ、このような偶然にも幸運すぎるショットが宇宙に蓄積され、有人宇宙飛行の時代が到来したときに除去しなければならなくなるだろう」と予測した。^{[ 5 ]} 1957年のスプートニク1号の打ち上げ後、米国北米航空宇宙防衛司令部（NORAD）は、既知のすべてのロケット打ち上げと軌道に到達した物体（衛星、保護シールド、上段および下段ブースターロケット）のデータベース（宇宙物体カタログ）の編纂を開始した。NASAは後に、このデータベースの修正版を2行要素セットで公開し、^{[ 6 ]} 1980年代初頭にはCelesTrak掲示板システムがそれを再公開した。^{[ 7 ]}

データベースにデータを提供したトラッカーたちは、軌道上の他の物体を認識しており、その多くは軌道上での爆発の結果であった。^{[ 8 ]} 1960年代の対衛星兵器実験中に意図的に引き起こされたものもあれば、ロケットの段が軌道上で爆発し、残った推進剤が膨張してタンクが破裂した結果のものもあった。追跡を改善するために、NORADの職員ジョン・ギャバードは別のデータベースを維持した。爆発を研究して、ギャバードは爆発物の軌道経路を予測する技術を開発し、ギャバード図（またはプロット）は現在広く使用されている。これらの研究は、軌道の進化と減衰のモデリングを改善するために使用された。^{[ 9 ]}

1970年代にNORADデータベースが一般公開されると、NASAの科学者ドナルド・J・ケスラーは、小惑星帯の研究のために開発された手法を、既知の天体のデータベースに適用した。1978年6月、ケスラーとバートン・クール＝パレは、「人工衛星の衝突頻度：デブリベルトの形成」^{[ 3 ]}を共著し、小惑星の進化を制御するプロセスが、数十億年ではなく数十年で低軌道でも同様の衝突プロセスを引き起こすことを実証した。彼らは、2000年頃までに、宇宙デブリが軌道上の宇宙船に対する主要な破壊リスクとして微小隕石を上回るだろうと結論付けた。^{[ 4 ]}

当時、上層大気からの抗力によって、デブリは生成されるよりも早く軌道から外れると考えられていた。しかし、ギャバードは、宇宙空間にある物体の数と種類がNORADのデータでは十分に表現されていないことを認識しており、それらの挙動にも精通していた。1978年のケスラー論文の発表直後のインタビューで、ギャバードはデブリの蓄積を指す言葉としてケスラー症候群という用語を作り出した。 ^{[ 4 ]}この用語は、1982年のポピュラーサイエンス誌の記事^{[ 10 ]}に掲載された後、広く使われるようになり、同記事は航空宇宙記者協会1982年全国ジャーナリズム賞を受賞した。^{[ 4 ]}

宇宙ゴミに関する確かなデータが不足していたため、LEO環境をより詳細に把握するための研究が数多く行われた。1979年10月、NASAはケスラーにさらなる研究のための資金を提供した。^{[ 4 ]}これらの研究ではいくつかの手法が用いられた。

光学望遠鏡と短波長レーダーを使用して宇宙物体の数と大きさを測定し、これらの測定により、公表されている個数カウントが少なくとも 50% 過小評価されていることが実証されました。^{[ 11 ]}これ以前は、NORAD データベースが軌道上の大型物体の大部分を網羅していると考えられていました。一部の物体 (通常は米軍の宇宙船) は NORAD リストから漏れていることが判明し、その他は重要でないとみなされたため含まれていませんでした。このリストでは、20 cm (8インチ)未満の物体、特に爆発したロケットの段の破片や 1960 年代のいくつかの対衛星実験の残骸を容易に把握することはできませんでした。^{[ 4 ]}  

帰還した宇宙船は顕微鏡で小さな衝突痕がないか検査され、回収されたスカイラブとアポロ司令船/機械船の一部にピットが見つかった。それぞれの研究は、デブリのフラックスが予想よりも高く、デブリが宇宙空間における微小隕石や軌道デブリの衝突の主な原因であることを示した。LEOはすでにケスラー症候群を実証している。^{[ 4 ]}

1978年、ケスラーは、カタログ化されたデブリの42%が19の事象、主に使用済みロケット段の爆発（特に米国のデルタロケット）の結果であることを発見した。^{[ 12 ]}彼は、まずペイロードに関連する多数の物体があると説明された打ち上げを特定し、次に文献を調査して打ち上げに使用されたロケットを特定することによってこれを発見した。1979年、この発見はNASAの上級管理職への説明の後、NASA軌道デブリプログラムの設立につながり、それまで信じられていた、未知のデブリのほとんどは古いASAT実験によるものであり、ペイロード注入後にデルタロケット上段から未使用の燃料を消費することで容易に対処できると思われる米国の上段ロケットの爆発によるものではないという考えを覆した。1986年、他の国際機関も同様の問題に直面している可能性があることが判明すると、NASAは国際機関を含めるようにプログラムを拡大し、最初に欧州宇宙機関が参加した。^{[ 13 ] : 2}軌道上の他のデルタコンポーネントのいくつかはまだ爆発していなかった（デルタは米国の宇宙計画の主力機だった）。

1980年代、アメリカ空軍（USAF）は、デブリが衛星や他のデブリと衝突した場合に何が起こるかを調べる実験プログラムを実施した。この研究では、その過程は微小隕石の衝突とは異なり、衝突の脅威となる大きなデブリの塊が生成されることが実証された。^{[ 4 ]}

1991年、ケスラーは当時入手可能な最良のデータを用いて「衝突連鎖：低地球軌道における人口増加の限界」^{[ 14 ]}を出版した。彼は、デブリ生成に関する米空軍の結論を引用し、ほとんどすべてのデブリ物体（塗料の破片など）は軽量であるものの、その質量の大部分は1kg （2ポンド3オンス）以上のデブリにあると記した。この質量は衝突時に宇宙船を破壊し、臨界質量領域でさらに多くのデブリを生成する可能性がある。^{[ 15 ]}米国科学アカデミーによると、   

例えば、1  kgの物体が10 km/sの速度で衝突した場合、宇宙船内の高密度要素に衝突すると、1,000 kgの宇宙船を壊滅的に破壊する可能性がある。そのような破壊では、1 kgを超える多数の破片が生成されるだろう。^{[ 16 ]}   

ケスラーの分析では、この問題を 3 つの部分に分けました。密度が十分に低い場合、衝突によるデブリの増加はデブリの崩壊速度よりも遅く、問題は深刻ではありません。それを超えると臨界密度があり、デブリの増加が衝突の増加につながります。密度が高くなると、生成が崩壊を上回り、連鎖反応が連鎖的に起こり、軌道上のデブリの数が小さな物体 (数センチメートル程度) に減少し、宇宙活動の危険性が高まります。^{[ 15 ]}この連鎖反応はケスラー症候群として知られています。^{[ 4 ]}

2009年初頭の歴史的概観の中で、ケスラーは状況を次のように要約した。

適切な安全対策を講じない攻撃的な宇宙活動は、衝突の間隔を大幅に短縮し、将来の宇宙船にとって耐え難い危険をもたらす可能性がある。宇宙における環境的に最も危険な活動には、1980年代半ばに戦略防衛構想で最初に提案されたような大規模な衛星コンステレーション、1970年代後半に地球軌道上に太陽光発電所を建設するために検討されたような大規模な構造物、そして過去30年間にソ連、米国、中国によってテストされたシステムを使用した対衛星戦争などがある。このような攻撃的な活動は、1つの衛星の故障が数年よりもはるかに短い期間で多数の衛星の連鎖的な故障につながる状況を作り出す可能性がある。^{[ 4 ]}

1985年、最初の対衛星ミサイル（ASAT）が衛星の破壊に使用された。1985年にアメリカで行われたASM-135 ASAT実験では、高度555キロメートル（345マイル）を飛行していたソルウィンドP78-1衛星に、14キログラム（31ポンド）のペイロードが時速24,000キロメートル（15,000マイル/時、6.7 km/秒）の速度で衝突した。NASAはアメリカ空軍のソルウィンドASAT実験計画を知ると、実験の影響をモデル化し、衝突によって発生した破片が1990年代後半まで軌道上に残ると判断した。これにより、NASAは計画中の宇宙ステーションの破片遮蔽を強化する必要に迫られた。^{[ 17 ]}    

2007年1月11日、中華人民共和国（PRC）は対衛星ミサイル実験を実施し、その標的として自国のFY-1C気象衛星の1基を選んだ。衝突は高度865キロメートル（537マイル）で発生し、質量750キログラム（1,650ポンド）の衛星が、反対方向から8 km/s（18,000 mph）の速度で飛来する運動エネルギー弾頭と正面衝突した。結果として生じた破片は、平均高度850キロメートル（530マイル）以上で地球を周回し、数十年または数世紀にわたって軌道上に留まる可能性が高い。^{[ 18 ]}     

2021年11月15日にロシアのASATミサイルによってコスモス1408衛星が破壊されたことにより、大きな破片雲が発生し、1500個の破片が追跡され、追跡するには小さすぎる破片が数十万個あると推定されています。衛星は極軌道にあり、その破片は高度300～1000キロメートル（190～620マイル）に広がっているため、国際宇宙ステーションや中国の宇宙ステーション（天宮）を含むあらゆる低軌道衛星と衝突する可能性があります。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} 

ケスラーシンドロームに関連する重大な出来事が2024年8月9日に発生した。中国の長征6Aロケットが低軌道で分解し、数百個の破片の雲ができた。米国宇宙軍はこの分解を確認し、複数の宇宙デブリ追跡機関が追跡している。この出来事により少なくとも700個の破片が発生し、900個を超える可能性もある。このデブリは、特に800キロメートル以下の軌道を周回する低軌道衛星群に重大なリスクをもたらし、何年も軌道上に留まる可能性があり、衝突の可能性を高める。この事件は、宇宙デブリに関する継続的な懸念と、より多くの物体が軌道に打ち上げられるにつれて連鎖的な影響のリスクが高まっていることを浮き彫りにしている。^{[ 22 ]} 2000年以降、中華人民共和国は、世界の他の国々を合わせたよりも多くの「使用済みロケット質量」を長寿命軌道に蓄積している。^{[ 23 ]}

宇宙に地球外生命体の痕跡が全く見られないというフェルミのパラドックスに対する解決策として、ケスラー症候群を仮説として提唱する天文学者もいる。宇宙を航行する知的文明は、ケスラー症候群によって安全な軌道を最終的に消滅させ、自らを母惑星に閉じ込めてしまう可能性がある。 ^{[ 34 ]}たとえ強力な宇宙汚染対策を講じたとしても、惑星上の悪意ある存在がケスラー症候群を引き起こす可能性があるため、このような結果が生じる可能性がある。^{[ 35 ]}人類も同様の運命に向かっており、宇宙を航行する文明としての未来を失って、地球に閉じ込められてしまうかもしれない。^{[ 36 ]}系外惑星の研究者の中には、知的生命体の兆候として、ケスラー症候群の連鎖反応の兆候を探して他の惑星を調査しようとする者もいる。^{[ 37 ]}