スターダスト（宇宙船）

スターダスト

スターダストがウィルド2彗星から塵粒子を集めている様子を描いた想像図
名前	ディスカバリー4号 スターダスト-NExT
ミッションタイプ	サンプル返品
オペレーター	NASA  /ジェット推進研究所
コスパーID	1999-003A
SATCAT番号	25618
Webサイト	ソーラーシステム
ミッション期間	スターダスト: 6年11ヶ月8日 NExT: 4年2ヶ月7日 合計: 12年1ヶ月17日
宇宙船の特性
バス	スペースプローブ[1]
メーカー	ロッキード・マーティン ワシントン大学
打ち上げ質量	385 kg (849 ポンド) [2]
乾燥質量	305.397 kg (673.29 ポンド) [3]
寸法	バス：1.71 × 0.66 × 0.66 m [1] (5.6 × 2.16 × 2.16 フィート)
力	330  W (ソーラーパネル/ NiH 2電池)
ミッション開始
発売日	1999年2月7日 21:04:15.238 UTC [4] ( 1999-02-07UTC21:04:15 )
ロケット	デルタ II 7426-9.5 D-266
発射場	ケープカナベラル SLC-17
請負業者	ロッキード・マーティン・スペース・システムズ
ミッション終了
廃棄	廃止
無効化	宇宙船: 2011年3月24日 23:33  UTC [5] ( 2011-03-24UTC23:34 )
着陸日	カプセル: 2006年1月15日 10:12 UTC [6]
着陸地点	ユタ州テストおよびトレーニングレンジ 40°21.9′N 113°31.3′W / 40.3650°N 113.5217°W / 40.3650; -113.5217
地球のフライバイ
最接近	2001 年 1 月 15 日、11:14:28 UTC
距離	6,008 km (3,733 マイル)
小惑星5535 アンネフランクの接近
最接近	2002 年 11 月 2 日、04:50:20 UTC [7]
距離	3,079 km (1,913 マイル) [7]
ワイルド2のフライバイ
最接近	2004 年 1 月 2 日、19:21:28 UTC [7]
距離	237 km (147 マイル) [7]
地球 フライバイ（サンプルリターン）
最接近	2006年1月15日
地球のフライバイ
最接近	2009年1月14日 12:33 UTC
距離	9,157 km (5,690 マイル)
9P/テンペルのフライバイ
最接近	2011年2月15日 04:39:10 UTC [8]
距離	181 km (112 マイル) [9]
楽器 CIDA 彗星と星間塵分析装置 DFMI ダストフラックスモニター装置 SSC スターダストサンプルコレクション DSE ダイナミック科学実験 ナビカメラ ナビゲーションカメラ
発見プログラム

スターダストは、1999年2月7日にNASAによって打ち上げられた385キログラムのロボット 宇宙探査機である。その主な任務は、ヴィルト2彗星のコマから塵のサンプルと宇宙塵のサンプルを収集し、分析のために地球に持ち帰ることである。これは、この種の最初のサンプルリターンミッションであった。ヴィルト2彗星に向かう途中、スターダストは小惑星5535アンネフランクにも接近し、調査を行った。主なミッションは、サンプルリターンカプセルが地球に帰還した2006年1月15日に無事完了した。 ^[10]

NExTというコードネームで呼ばれるミッションの延長は、 2011年2月にスターダストがテンペル第1彗星を迎撃したことで最高潮に達しました。テンペル第1彗星は、2005年にディープインパクトが訪れた太陽系の小天体です。スターダストは2011年3月に運用を終了しました。

2014年8月14日、科学者たちは2006年に地球に帰還したスターダストカプセルから、星間塵粒子と思われる粒子を特定したと発表した。 ^{[11] [12] [13] [14]}

1980年代初頭、科学者たちは彗星を研究するための専用ミッションを探し始めました。1990年代初頭、ハレー彗星を研究するいくつかのミッションが、クローズアップデータを返す最初の成功したミッションとなりました。しかし、米国の彗星ミッションである彗星ランデブー小惑星フライバイは、予算上の理由でキャンセルされました。1990年代半ばには、 2004年にウィルド2彗星を研究する、より安価なディスカバリークラスのミッションへのさらなる支援が行われました。^[1]

スターダストは、1995年秋に、低コストで科学的目標を高度に絞ったNASAディスカバリー計画ミッションとして競争的に選ばれた。^{[1] : 5}スターダストの建造は1996年に始まり、最大の汚染制限であるレベル5の惑星保護の対象となった。しかし、地球外生命体による惑星間汚染のリスクは低いと判断された。^[15]毎秒450メートル（時速1,000マイル）を超える粒子の衝突は、エアロゲルにさえも、既知の微生物にとって致命的であると考えられていたためである。^{[1] : 22–23}

ウィルド2彗星は、太陽に接近した長周期彗星を観測するまれな機会として、このミッションの主なターゲットに選ばれました。この彗星は、1974年に木星の引力の影響を受け、軌道が内側、太陽に近づくという出来事の後、短周期彗星になりました。ミッションの計画では、彗星の形成に使用された元の物質のほとんどがまだ保存されていると予想されていました。^{[1] : 5}

このミッションの主な科学的目的には以下が含まれる: ^[7]

• 対象彗星（ワイルド2）を十分に低い速度（6.5 km/s未満）で通過させ、エアロゲルコレクターを使用して彗星の塵を非破壊的に捕獲できるようにします。
• 同じ収集媒体を使用して、可能な限り低速度で、大量の星間塵粒子を捕捉することを容易にします。
• ミッションのコスト制約の範囲内で、彗星のコマと核の高解像度画像をできるだけ多く返します。

この宇宙船は、コロラド州デンバーでディスカバリー級ミッションとしてロッキード・マーティン宇宙航行社によって設計、製造、運用された。JPLはNASA部門のミッション運用管理を担当した。このミッションの主任研究者はワシントン大学のドナルド・ブラウンリー博士であった。^{[1] : 5}

宇宙船バスの長さは1.7メートル（5フィート7インチ）、幅は0.66メートル（2フィート2インチ）で、ロッキード・マーティン・アストロノーティクスが開発したスペースプローブ深宇宙バスのデザインを流用した。バスは主にグラファイトファイバーパネルで構成され、その下にはアルミニウムのハニカムサポート構造があり、宇宙船全体はさらなる保護のためにポリシアネートカプトンシートで覆われていた。低コストを維持するために、宇宙船には過去のミッションで使用された、または小型宇宙船技術イニシアチブ（SSTI）によって将来のミッションのために以前に開発された多くの設計と技術が組み込まれていた。宇宙船には、分析のために地球に持ち帰られたスターダストサンプル収集トレイを含む、データ収集用の5つの科学機器が搭載されていた。 ^[16]

宇宙船は、姿勢制御（方向）を維持するために、 8つの4.41  Nヒドラジン一元推進剤スラスタと8つの1 Nスラスタで3軸安定化され、必要な小規模な推進操作もこれらのスラスタによって実行されました。宇宙船は80キログラムの推進剤とともに打ち上げられました。宇宙船の位置決め情報は、FSWを使用して姿勢を決定する星カメラ（Stellar Compass）、慣性測定ユニット、および2つの太陽センサーによって提供されました。^{[1] : 30–31  [16]} Stellar CompassソフトウェアはIntelligent Decisions, Inc.によって提供されました。

深宇宙ネットワークとの通信のために、宇宙船は、ミッションフェーズに応じて0.6メートル（2フィート0インチ）のパラボラ高利得アンテナ、中利得アンテナ（MGA）、低利得アンテナ（LGA）、およびもともとカッシーニ宇宙船用に設計された15ワットのトランスポンダを使用して、Xバンドでデータを送信しました。 [ ^{1] : 32  [16]}

探査機は2つの太陽電池アレイによって駆動され、平均330ワットの電力を供給した。アレイには、探査機がワイルド2のコマにある間に、損傷を与える可能性のある彗星の塵から繊細な表面を保護するためのホイップルシールドも含まれていた。太陽電池アレイの設計は、主に小型宇宙船技術イニシアチブ（SSTI）の宇宙船開発ガイドラインから派生したものである。アレイは、太陽からの距離に応じてストリングを直列から並列に切り替える独自の方法を提供した。また、太陽電池アレイに届く日光が少なすぎる場合に探査機に電力を供給するために、単一のニッケル水素（NiH ₂）バッテリーも含まれていた。^{[1] : 31  [16]}

宇宙船のコンピュータは、耐放射線性の RAD6000 32ビットプロセッサカードを使用して動作しました。宇宙船が地球と通信できないときに データを保存するために、プロセッサカードは128メガバイトを保存でき、そのうち20％は飛行システムソフトウェアによって占められていました。システムソフトウェアは、Wind River Systemsが開発した組み込みオペレーティングシステムであるVxWorksの一種です。^{[1] : 31  [16]}

彗星や星間粒子は超低密度エアロゲルに集められます。テニスラケット大の収集トレイには 90 個のエアロゲルブロックが収められており、彗星や星間塵の粒子を捕らえるための 1,000 平方センチメートル以上の表面積が確保されています。

粒子を損傷せずに収集するために、多孔質のスポンジのような構造を持つシリコンベースの固体が使用され、その体積の99.8パーセントが空間になっています。エアロゲル の密度は、比較対象となる別のシリコンベースの固体であるガラスの1/1000です。粒子がエアロゲルに当たると、その物質の中に埋もれ、粒子の長さの最大 200 倍に及ぶ長い軌跡が作られます。エアロゲルはアルミニウムの格子に詰められ、サンプルリターンカプセル (SRC) に取り付けられました。このカプセルは、2006 年に宇宙船が地球を通過したときに放出される予定でした。

エアロゲルを星間塵の有無について分析するには、採取した粒子全体を撮影するのに100万枚の写真が必要となる。画像は、Stardust@homeというプログラムを使用してデータの研究を支援するために、家庭のコンピュータユーザーに配布される。2014年4月、NASAはエアロゲルから7つの星間塵粒子を回収したと報告した。^[27]

スターダストは、 10.16センチメートル（4インチ）の正方形のシリコンウェハーのペアを2組搭載して打ち上げられました。各ペアには、1997年後半から1998年半ばに利用可能になったインターネットフォームに記入して広報プログラムに参加した100万人を超える人々の名前が刻まれていました。マイクロチップの1組は宇宙船に配置され、もう1組はサンプルリターンカプセルに取り付けられました。^{[1] : 24}

スターダストは、1999年2月7日21時4分15秒（UTC）、アメリカ航空宇宙局（NASA）によりフロリダ州ケープカナベラル空軍基地のスペース・ローンチ・コンプレックス17AからデルタII 7426ロケットで打ち上げられた。完全燃焼シーケンスは27分間続き、宇宙船は太陽中心軌道に乗せられた。この軌道で宇宙船は太陽を周回し、 2001年には地球の重力アシスト操作を通過し、2002年には小惑星5535アンネフランクに、2004年にはウィルド2彗星に6.1km/sの低速フライバイで到達した。2004年に宇宙船は進路修正を行い、2006年に地球を2度目に通過してサンプルリターンカプセルを放出し、ユタ州のボンネビル・ソルトフラッツに着陸した。^{[1] : 14–22  [7]}

地球との2度目の遭遇の際、サンプルリターンカプセルは2006年1月15日に放出された。^[7]その直後、スターダストはカプセルとともに大気圏に突入するのを避けるため「迂回操作」に入った。操作後、機内には20キログラム未満の推進剤が残っていた。^[7] 2006年1月29日、宇宙船は太陽電池パネルと受信機のみを作動させた休止モードに入り、 2009年1月14日に地球付近に帰還する3年間の太陽中心軌道に乗った。 ^{[7] [28]}

その後のミッション延長は2007年7月3日に承認され、 2011年にテンペル第1彗星 のフライバイに向けて探査機をフル稼働に戻すこととなった。このミッション延長は太陽系の小天体を再訪した初めてのミッションであり、残りの燃料を使用し、探査機の耐用年数の終わりを告げた。^[29]

2002年11月2日04:50:20 UTC、スターダストは3,079 km (1,913 mi)の距離から小惑星5535 アンネフランクに遭遇した。^[7]観測期間中、太陽の位相角は130度から47度の範囲であった。この遭遇は主に、2003年のヴィルト2彗星との遭遇に備えて、宇宙船と地上操作のエンジニアリングテストとして使用された。^[7]

2004年1月2日19時21分28秒（UTC）、スターダストは太陽側でウィルド 2彗星^[34]に相対速度6.1km/sで237km（147マイル）の距離から遭遇した。 ^[7]当初の遭遇距離は150km（93マイル）の予定だったが、安全審査委員会が破滅的な塵の衝突の可能性を最小限に抑えるために最接近距離を延長したため、変更された。^[7]

彗星と探査機の相対速度は、太陽の周りを周回する間に彗星が探査機を後ろから追い越すほどだった。この遭遇の間、探査機は核の太陽に照らされた側にいて、太陽位相角70度で接近し、最接近付近で最小角度3度に達し、位相角110度で離脱した。^[7]フライバイ中にはAutoNavソフトウェアが使用された。^{[35] : 11}

フライバイ中に、探査機はサンプル収集プレートを展開してコマから塵粒子のサンプルを収集し、氷核の詳細な写真を撮影した。 [ ^36]

2006 年 3 月 19 日、スターダストの科学者たちは、探査機を第 2 ミッションに向け直し、テンペル第 1 彗星を撮影する可能性を検討していると発表した。この彗星は、2005 年にディープ インパクトミッションのターゲットとなり、表面に衝突機を送り込んだ。この延長の可能性は、ディープ インパクトが衝突による塵で表面が覆われて撮影できなかった衝突クレーターの画像を収集する上で極めて重要になる可能性がある。

2007年7月3日、ミッションの延長が承認され、テンペル1の新探査（NExT）と改名された。この調査により、太陽に接近した後に生じた彗星核の変化を初めて観察することができる。また、NExTはテンペル1のマッピングを拡張し、これまでで最もマッピングされた彗星核となる。このマッピングは、彗星核の地質学に関する主要な疑問を解決するのに役立つだろう。フライバイミッションでは、残りの燃料のほとんどを消費し、探査機の運用可能性の終わりを告げると予想された。^[29] AutoNavソフトウェア（自律航法用）は、接近前の30分間、探査機を制御する。^[37]

ミッションの目的には以下が含まれていました。^[37]

主な目的

• テンペル第 1 彗星が 2 回連続して近日点を通過する間、つまり太陽の周りを周回する間に生じた変化を記録することで、彗星核の表面に影響を与えるプロセスに関する現在の理解を深めます。
• テンペル 1 の核の地質図作成を拡張して、層の範囲と性質を解明し、彗星の核の形成と構造のモデルを改良するのに役立ちます。
• 滑らかな流れの堆積物、活動領域、および既知の水氷の露出に関する研究を拡大します。

二次目的

• 2005 年 7 月にディープ インパクトによって生成されたクレーターを潜在的に画像化して特徴付け、彗星核の構造と機械的特性をより深く理解し、クレーターの形成プロセスを解明します。
• ダストフラックスモニター装置を使用して、コマ内のダスト粒子の密度と質量分布を測定します。
• 彗星および星間塵分析装置を使用して、コマ内の塵粒子の組成を分析します。

2011年2月15日04:39:10 UTC、スターダストNExTは181kmの距離からテンペル1に遭遇した。^{[8] [9]}遭遇中に推定72枚の画像が取得された。これらの画像には地形の変化が示されており、ディープインパクトでは見られなかった彗星の一部が明らかになった。^[38]ディープインパクトの衝突地点も観測されたが、クレーターに物質が再び沈殿したためほとんど見えなかった。^[39]

2011年3月24日、UTC 23:00頃、スターダストは残りの燃料を消費するために燃焼を行った。^[33]宇宙船の燃料はほとんど残っておらず、科学者たちは収集されたデータが宇宙船の燃料レベルを推定するより正確なシステムの開発に役立つことを期待していた。データの収集後、アンテナの照準はそれ以上不可能となり、送信機はオフになった。宇宙船は約3億1200万km離れた宇宙から確認応答を送信した。^[5]

2006年1月15日午前5時57分（UTC）、サンプルリターンカプセルはスターダストから正常に分離した。SRCは午前9時57分（UTC）に大気圏に再突入し、^[40]速度は12.9km/sで、これは人工物としては史上最速の大気圏再突入速度であった。^[41]カプセルは劇的な再突入プロファイルをたどり、110秒以内にマッハ36から亜音速まで低下した。^{[42] [検証失敗]}最大減速は34Gで 、^{[43]再突入40秒後に}ネバダ州スプリングクリーク上空55kmで発生した。^[42]ファイバーマテリアルズ社製のフェノール含浸カーボンアブレーター（PICA）熱シールドは、この急激な再突入中に2,900℃以上の温度に達した。^[44]その後、カプセルはパラシュートで降下し、最終的に10:12 UTCにアメリカ陸軍ダグウェイ性能試験場近くのユタ州試験訓練場に着陸した。^{[6] [45]}その後、カプセルはユタ州からテキサス州ヒューストンのエリントン空軍基地まで軍用機で輸送され、その後、予告なしの車列でヒューストンのジョンソン宇宙センターの惑星物質キュレーター施設に陸路で移送され、分析が開始された。^{[7] [46]}

サンプル容器は、星間塵や彗星塵が汚染されていないことを確認するために、病院の手術室の100倍の清浄度を持つクリーンルームに運ばれた。 ^[47]予備的な推定では、少なくとも百万個の 微細な塵の粒子がエアロゲルコレクターに埋め込まれていることが示唆された。10個の粒子は少なくとも100 マイクロメートル（0.1 mm）で、最大のものは約1,000マイクロメートル（1 mm）であることが判明した。彗星塵コレクターの裏側にあったサンプルコレクターには、推定45個 の星間塵の衝突も見つかった。塵の粒子は、市民科学プロジェクト、Stardust@Homeを通じてボランティアチームによって観察および分析されている。

採取されたサンプルの総質量は約1mgであった。^[48]

2006年12月、サンプル分析の初期の詳細を議論した7つの論文が科学誌「サイエンス」に掲載されました。発見された内容は次のとおりです。生物学的に利用可能な窒素を含む2つを含む幅広い有機化合物、拡散星間物質で観測されるものよりも長い鎖長を持つ土着の脂肪族炭化水素、オリビンや輝石などの結晶性ケイ酸塩に加えて非晶質ケイ酸塩が豊富に存在し、地上観測から分光学的に以前に推定されていた太陽系と星間物質の混合と一致することを証明しています。 ^[49]含水ケイ酸塩と炭酸塩鉱物は存在しないことが判明し、彗星の塵が水で処理されていないことを示唆しています。返送されたサンプルには、少量の純粋な炭素（ C4H2N）^{[説明が必要}]も見つかりました 。

2010年、アンドリュー・ウェストファル博士は、Stardust@homeのボランティアであるブルース・ハドソンが、エアロゲルの多くの画像の中に、星間塵粒子が含まれている可能性のある軌跡（「I1043,1,30」とラベル付け）を発見したと発表した。 ^[50]このプログラムでは、ボランティアの発見をボランティア自身が認識し、名前を付けることができる。ハドソンは発見物を「オリオン」と名付けた。^[51]

2011年4月、アリゾナ大学の科学者らは、ウィルド2彗星に液体の水が存在する証拠を発見した。彼らは、水の存在下で形成されたに違いない鉄と銅の硫化鉱物を発見した。この発見は、彗星は氷の塊を溶かすほどには温まらないという従来のパラダイムを打ち砕いた。^[52] 2014年春、ディスカバリー計画のスターダストミッションによる星間塵の粒子の回収が発表された。^[53]

スターダストのサンプルは現在、バークレーのウェブページでトレーニングを完了すれば誰でも識別できるようになっています。^[54]

帰還カプセルは現在ワシントンDCの国立航空宇宙博物館に展示されており、NASA設立50周年にあたる2008年10月1日から展示が始まった。帰還カプセルはサンプル収集モードで展示されており、サンプル収集に使用されたエアロゲルのサンプルも展示されている。^[55]

彗星のサンプルは、初期の太陽系の外側の領域が孤立しておらず、星間物質が一般的に生き残ることができる避難場所ではなかったことを示しています。^[56]データは、高温の内部太陽系物質が形成され、その後カイパーベルトに移動したことを示唆しています。^[57]

グリシン

2009年、NASAは科学者が初めて彗星で生命の基本的な化学的構成要素の1つを特定したと発表した。 2004年にウィルド2彗星から放出され、スターダスト探査機によって捕獲された物質からアミノ酸のグリシンが検出された。グリシンは以前にも隕石で検出されたことがあり、星間ガス雲でも観測されているが、スターダストの発見は彗星物質では初めてのことだとされている。同位体分析によると、後期重爆撃期には地球が合体した後、生命が進化する前の彗星の衝突が含まれていた。^[58] NASAの宇宙生物学研究所を率いるカール・ピルチャーは、「彗星でグリシンが発見されたことは、生命の基本的な構成要素が宇宙に広く存在するという考えを裏付け、宇宙の生命はまれではなくありふれたものであるという主張を強める」とコメントした。^[59]

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ウィキメディア・コモンズには、スターダスト (宇宙船)に関連するメディアがあります。

• NASA.gov の Stardust ウェブサイト
• NASAジェット推進研究所のスターダストウェブサイト
• NASA ジェット推進研究所の Stardust-NExT ウェブサイト
• NASA 惑星データシステム、小天体ノードのスターダスト ミッション アーカイブ
• NASA 惑星データシステム、小天体ノードの Stardust-NExT ミッション アーカイブ