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ホイヘンス（ / ˈhɔɪɡən z / HOY -gənz ）は、 2005年に土星の衛星タイタンに着陸に成功した大気圏突入型ロボット 宇宙探査機です。欧州宇宙機関（ ESA）が建造・運用し、NASAが打ち上げたこの探査機は、カッシーニ・ホイヘンス計画の一部であり、タイタンに着陸した最初の宇宙船であり、地球から最も遠い場所に着陸した宇宙船となりました。 [ 3 ]この探査機は、17世紀のオランダの天文学者クリスティアーン・ホイヘンスにちなんで名付けられました。 [ 4 ]
カッシーニ・ホイヘンス合体探査機は1997年10月15日に地球から打ち上げられた。[ 4 ]ホイヘンスは2004年12月25日にカッシーニ周回機から分離し、2005年1月14日にタイタンのアディリ地域付近に着陸した。[ 5 ]ホイヘンスの着陸は、これまでのところ太陽系外縁部で地球以外の衛星に着陸した唯一の例である。 [ 6 ]
ホイヘンス探査機は陸上に着陸したが、設計段階では海洋に着陸する可能性も考慮されていた。探査機は、大気圏内で数時間、そして場合によっては地表で短時間データを収集するように設計されていた。着陸後も約90分間、データの送信を続けた。
ホイヘンス探査機は、タイタンの大気圏に突入して減速し、計測機器を完備したロボット実験室をパラシュートで地表に降下させるように設計されました。計画段階では、着陸地点が山脈なのか、平原なのか、海なのか、あるいはそれ以外の場所なのかはまだ確定しておらず、カッシーニ探査機からのデータ分析がこれらの疑問に答えるのに役立つと考えられていました。
カッシーニ探査機がタイタン上空1,200km （750マイル）で撮影した画像に基づくと、着陸地点は海岸線に見えた。着陸地点が非固体であると仮定して、ホイヘンス探査機は衝突に耐え、タイタンの液体の表面に着水し、その条件下で数分間データを送信できるように設計された。それが実現すれば、人類が作った探査機が地球外の海に着陸する初めての事例になると予想された。探査機のバッテリー寿命は最大でも3時間で、そのほとんどは降下中に使用される予定だった。技術者たちは、表面から得られるデータは最大でも30分程度だと予想していた。
ホイヘンス探査機システムは、タイタンに降下した重量318kgの探査機本体と 、周回宇宙船に取り付けられたままの重量30kgの探査機支援装置（PSE）で構成されています。 ホイヘンスの耐熱シールドは直径2.7mでした。シールドを分離した後、探査機の直径は1.3mになりました。PSEには、探査機の追跡、降下中に収集したデータの回収、データの処理と周回宇宙船への送信に必要な電子機器が搭載されており、周回宇宙船からデータは地球に「ダウンリンク」されました。
探査機は、半年に一度の健康チェックを除いて、6.7年間の惑星間航行中ずっと休止状態にあった。[ 7 ]これらのチェックは、事前にプログラムされた降下シナリオシーケンスにできる限り忠実に従い、結果はシステムおよびペイロードの専門家による調査のために地球に中継された。
2004年12月25日に探査機が軌道船から分離される前に、最終的な健全性チェックが行われた。「コースト」タイマーには、探査機のシステムを起動するために必要な正確な時間（タイタンの大気圏突入の15分前）が設定され、その後、探査機は軌道船から分離し、起動タイマー以外のシステムは一切作動しない状態で、22日間かけて自由宇宙空間をタイタンまで航行した。
主なミッション段階は、タイタンの大気圏へのパラシュート降下でした。バッテリーやその他のすべてのリソースは、ホイヘンスミッションの期間である153分に合わせて設計されており、これは最大降下時間2.5時間と、タイタン表面での少なくとも3分（場合によっては30分以上）の追加時間に対応します。探査機の無線リンクは降下段階の早い段階で起動され、周回機は降下段階と着陸後の最初の30分間を含め、次の3時間にわたって探査機からの信号を「受信」しました。この3時間の通信ウィンドウが終了してから間もなく、カッシーニの高利得アンテナ（HGA）はタイタンから地球に向けられました。
地球上の超大型電波望遠鏡も、超長基線干渉法と開口合成モードの技術を用いて、ホイヘンスの10ワット送信を受信していた。1月14日11時25分（中央ヨーロッパ時間）、ウェストバージニア州のロバート・C・バード・グリーンバンク望遠鏡（GBT）がホイヘンスからの搬送波信号を検出した。GBTは、カッシーニが受信データストリームの受信を停止した後も、搬送波信号の検出を継続した。GBTに加えて、北米大陸を横断するVLBAの10の望遠鏡のうち8つ（ニューメキシコ州パイタウンとロスアラモス、テキサス州フォートデイビス、アイオワ州ノースリバティ、アリゾナ州キットピーク、ワシントン州ブリュースター、カリフォルニア州オーウェンズバレー、ハワイ州マウナケア）もホイヘンスの信号を受信していた。[ 8 ]
ホイヘンス探査機から地球で受信された信号強度は、VLAで受信されたガリレオ探査機（木星大気降下探査機）からの信号強度と同程度であり、当時未知であったテレメトリによる信号変調のため、リアルタイムで検出するには弱すぎた。そのため、3時間にわたる降下中、探査機信号の広帯域記録が行われた。探査機テレメトリがカッシーニ探査機から地球に中継された後、記録された信号から既知のデータ変調が除去され、数秒間積分して探査機の周波数を決定できる純粋な搬送波が残った。タイタンの大気圏を降下する際のホイヘンス探査機の信号のドップラーシフトを解析することで、風速と風向をある程度の精度で決定できると予想された。地球から約12億km (8.0 AU)の距離でドップラーデータを使用して、タイタンのホイヘンス探査機の着陸地点の位置が正確に (1 km 以内 ― タイタンの 1 km は赤道で緯度と経度が 1.3分角) 特定されました。探査機は、南緯 10°34′23″、西経 192°20′06″ /南緯 10.573°、西経 192.335° / -10.573; -192.335 (ホイヘンス探査機)の月面に着陸しました。同様の手法は、テレメトリーのみを使用して火星探査ローバーの着陸地点を特定するために使用されました。
ホイヘンスは2005年1月14日12時43分（協定世界時）頃に着陸した。着陸時の衝撃速度は、地球に約1メートル（3フィート）の高さからボールを落とした時とほぼ同じだった。着陸後、 12センチメートル（4.7インチ）の深さのへこみができ、平らな面に跳ね返ってから、表面を30～40センチメートル（12～16インチ）滑った。表面との摩擦で速度が落ち、最終的な停止位置に到達すると、5回前後に揺れた。ホイヘンスのセンサーは、着陸後約10秒で動きが収まるまで、さらに2秒間小さな振動を検知し続けた。探査機は、衝突によって塵の雲（おそらく大気から降り注ぐ有機エアロゾル）を巻き上げ、それは約4秒間大気中に浮遊した。[ 9 ]
着陸地点では、オレンジ色の表面に水氷の小石が散らばっている兆候が見られ、その大部分はメタンの薄い霞で覆われていた。ホイヘンスによるタイタンの初期の航空画像は、表面に大きな液体が存在することと一致していた。着陸前のタイタンの最初の写真には、明るい色の本土を横切って暗い海に流れ込む大きな排水路のように見えるものが写っていた。写真の中には、島や霧に覆われた海岸線を示唆するものもあった。探査機の軌道のその後の分析により、実際にはホイヘンスは写真の暗い「海」領域内に着陸していたことが示された。乾燥した湖底のような地形の表面からの写真から、最近表面に液体が作用した証拠はあるものの、炭化水素の湖や海は現在ホイヘンスの着陸地点には存在しない可能性があることが示唆されている。しかし、カッシーニミッションからのさらなるデータは、タイタンの極域に恒久的な液体の炭化水素の湖が存在することを確実に確認した（タイタンの湖を参照）。 2012年には、長期間存在する熱帯の炭化水素湖も発見されました（その中には、シャングリラ地域のホイヘンス着陸地点からほど近い、ユタ州のグレートソルトレイクの約半分の大きさで、少なくとも深さ1メートル（3フィート）の湖も含まれています）。乾燥した砂漠地帯の供給源はおそらく地下帯水層でしょう。つまり、タイタンの乾燥した赤道地域には「オアシス」が存在するということです。[ 10 ]
表面は当初、粘土のような「薄い地殻の後に比較的均一な質感の領域があるかもしれない物質」であると報告された。ESAの科学者の一人は、タイタンの表面の質感と色をクレームブリュレ（つまり、粘着性のある泥のような下地を覆う硬い表面）に例えた。その後のデータ分析では、表面の質感の測定値は、ホイヘンスが着陸時に大きな小石を地面に押し込んだことが原因である可能性が高く、表面は氷の粒でできた「砂」[ 11 ]または上に凍った雪[ 9 ]として説明する方が適切であると示唆されている。探査機の着陸後に撮影された画像には、小石で覆われた平原が写っている。炭化水素で覆われた水の氷でできている可能性のある小石は、やや丸みを帯びており、流体が作用していることを示している可能性がある。[ 12 ]岩石は丸みを帯びており、サイズが選別され、サイズが層状になっているように見える。これは、より細かい粒子で構成された暗い湖底内の小川の底に位置しているように見える。直径15 cm (5.9インチ)を超える小石は見つからず、ホイヘンス着陸地点では5 cm (2.0インチ)未満の岩石はまれである。これは、大きな小石は湖底まで運ばれず、小さな岩石は表面からすぐに取り除かれることを示唆している。[ 13 ]
着陸地点の温度は93.8 K (−179.3 °C; −290.8 °F)、気圧は1,467.6 mbar (1.4484 atm)であり、これは地表付近のメタン存在量が 5 ± 1%、メタンの相対湿度が 50% であることを示唆している。したがって、着陸地点付近でメタンによる地表霧が発生する可能性は低い。[ 13 ]温度計は、熱がホイヘンスから非常に速く放出されたため、地面が湿っていたに違いないことを示しており、ある画像には、カメラの視野を横切って落下する露滴によって反射された光が写っている。タイタンでは、弱い太陽光により、年間約 1 センチメートルの蒸発しか許されない (地球では 1 メートルの水) が、大気は雨が形成される前に約10 m (30 ft)の液体に相当する量を保持できるが、地球ではわずか数センチメートルである。そのため、タイタンの気候は、鉄砲水を引き起こす豪雨と、数十年または数世紀にわたる干ばつが交互に現れると予想されている。[ 14 ]
ホイヘンスは、タイタンの表面の明るさ（着陸時）が地球上の太陽光の約1000分の1（または満月の明るさの500分の1）であることを発見した。つまり、地球で日没後約10分、おおよそ薄明の終わり頃に経験する照度レベルである。タイタンの空と風景の色は、赤色光に比べて青色光がタイタンの霞によってはるかに大きく減衰されるため、主にオレンジ色である。太陽（ホイヘンスが着陸したときは比較的高い位置にあった）は、地球から見た太陽円盤の10分の1の大きさの小さな明るい点として見え、大きさと明るさは、約150メートル（500フィート）から見た車のヘッドライトに匹敵する。太陽はくっきりとした影を落とすが、照明の90%が空から来るため、コントラストは低い。[ 13 ]
着陸の数時間前、土星/タイタンから見ると、地球と月が太陽面を通過する現象が見られました。ホイヘンス探査機は、地球の太陽面通過終了から2.7時間後、つまり月の太陽面通過終了からわずか1～2分後にタイタンの大気圏上層部に突入しました 。しかし、この太陽面通過はカッシーニ探査機やホイヘンス探査機の活動に影響を与えませんでした。理由は2つあります。まず、ホイヘンス探査機は太陽面を横切っていたため地球からの信号を受信することはできませんでしたが、地球はホイヘンス探査機からの信号を受信することができました。次に、ホイヘンス探査機は地球に直接読み取り可能なデータを送信しませんでした。むしろ、データをカッシーニ探査機に送信し、カッシーニ探査機が受信したデータを地球に中継しました。
ホイヘンス探査機には、タイタンの大気圏を降下する際に幅広い科学データを収集する6つの観測機器が搭載されていた。その6つの機器は以下のとおりである。
この装置には、タイタンの大気の物理的および電気的特性を測定する一連のセンサーが含まれています。加速度計は、探査機が大気中を降下する際に、3 軸すべての力を測定しました。探査機の空力特性は既にわかっているため、タイタンの大気の密度を決定し、突風を検出することができました。探査機は、液体の表面に着陸した場合、波による動きも測定できるように設計されていました。温度および圧力センサーは、大気の熱特性を測定しました。誘電率および電磁波アナライザーコンポーネントは、大気の電子およびイオン(つまり、正に帯電した粒子) の伝導率を測定し、電磁波活動を探しました。タイタンの表面では、表面物質の電気伝導率と誘電率(つまり、電束密度場と電場の比) が測定されました。HASI サブシステムには、探査機の降下および着陸中に発生した音響イベントを記録するために使用されたマイクロホンも含まれています。[ 15 ]
この実験では、超安定発振器を使用して、カッシーニ探査機がドップラー効果によってカッシーニ探査機に対するホイヘンス探査機の視線速度を正確に決定できる高精度のSバンド搬送周波数を提供しました。[ 16 ]ホイヘンス探査機の風による水平方向の動きは、測定されたドップラーシフト測定値から導き出され、既知の軌道効果と伝搬効果はすべて補正されました。大気特性によるパラシュート下の探査機の揺れも検出された可能性があります。地上管制官がカッシーニ探査機の受信機をオンにしなかったため、このデータは失われました。[ 17 ]地上の電波望遠鏡でその一部が再構築されました。測定はタイタンの表面から150 km (93マイル)上空で開始され、ホイヘンスは東向きに400 km/h (250 mph)を超える速度で吹き飛ばされた[ 18 ]。これは、過去数年間望遠鏡を使用して行われた高度200 km (120マイル)での風の以前の測定結果と一致している。60 ～ 80 km (37 ～ 50マイル)の間では、ホイヘンスは急速に変動する風に揺さぶられたが、これは垂直風シアであると考えられている。地上レベルでは、地球ベースのドップラーシフトとVLBI測定により、数メートル毎秒の穏やかな風が示され、おおよそ予想と一致している。
ホイヘンスは主に大気観測ミッションであったため、DISR機器はタイタンの大気内部の放射収支を研究するために最適化されていた。可視光および赤外線分光計と紫色光度計は、高度145 km (90マイル)から地表までの上下方向の放射束を測定した。太陽光輪カメラは、エアロゾルによる散乱が太陽の周囲の強度をどのように変化させるかを測定した。同じCCDを共有する3つのイメージャーは、ほぼ天底から地平線のすぐ上まで、幅約30度の帯を周期的に撮影した。ゆっくりと回転する探査機の助けを借りて、着陸地点の完全なモザイク画像が構築されたが、驚くべきことに、着陸地点は高度25 km (16マイル)より下でのみはっきりと見えるようになった。すべての測定は、太陽が視野を通過したことをDISRに知らせるシャドウバーの助けを借りてタイミングが取られた。残念ながら、ホイヘンスが予想とは逆方向に回転したため、この計画は狂ってしまった。着陸直前にランプを点灯して地表を照らし、大気中のメタンによる吸収で完全に遮断される波長における地表反射率の測定を可能にした。
DISRは、アリゾナ大学の月惑星研究所でマーティン・トマスコの指揮の下開発され、いくつかのヨーロッパの研究所がハードウェアに貢献した。「この実験の科学的目的は、(1)タイタンの熱バランスの研究のための太陽加熱プロファイルの測定、(2)表面の組成、地形、および表面を形成する物理的プロセスを研究するための表面の画像化とスペクトル反射測定、および降下中の風プロファイルの直接測定、(3)タイタンの大気中のエアロゾルのサイズ、形状、垂直分布、光学的特性、発生源および消失源を研究するための、太陽オーロラを含む散乱太陽光の明るさと線形偏光度の測定、および波長と高度の関数としてのエアロゾルの消光光学的深さの測定、(4)大気の組成、特に降下全体にわたるメタンの混合比プロファイルを研究するための下向き太陽フラックスのスペクトルの測定、の4つの分野に分けられる。」[ 19 ]
この装置は、タイタンの大気中の化学物質を識別および測定するために設計されたガス化学分析装置です。[ 20 ]分析のために高高度で充填されたサンプラーが装備されていました。高電圧四重極質量分析計は、各ガスの分子量のモデルを構築するためのデータを収集し、ガスクロマトグラフによって分子種と同位体種のより強力な分離が行われました。[ 21 ]降下中、GC/MS はエアロゾルコレクター熱分解装置から送られてきた熱分解生成物 (つまり、加熱によって変化したサンプル) も分析しました。最後に、GC/MS はタイタンの表面の組成を測定しました。この調査は、衝突直前に GC/MS 装置を加熱して、接触時に表面物質を気化させることで可能になりました。GC/MS は、ゴダード宇宙飛行センターとミシガン大学の宇宙物理学研究所によって開発されました。
ACP実験では、フィルターを通して大気中のエアロゾル粒子を吸い込み、捕集したサンプルをオーブンで加熱（熱分解プロセスを使用）して揮発性物質を気化させ、複雑な有機物を分解した。生成物はパイプを通してGC/MS装置に送られ、分析された。異なる高度でサンプルを収集するために2つのフィルターが用意された。[ 22 ] ACPは、大気システム大学間研究所（LISA）の（フランスの）ESAチームによって開発された。
SSPには、タイタンの表面が固体か液体かなど、衝突地点でのタイタン表面の物理的特性を判断するために設計された多数のセンサーが搭載されていた。[ 23 ]降下の最後の100m （300フィート）で起動された音響測深器は、降下速度と表面の粗さ（例えば、波によるもの）を測定し、表面までの距離を継続的に測定していた。この装置は、表面が液体の場合、測深器が「海」の音速と、おそらくは地下構造（深さ）も測定できるように設計されていた。降下中、音速の測定により大気組成と温度に関する情報が得られ、加速度計は衝突時の減速プロファイルを記録し、表面の硬さと構造を示した。傾斜センサーは降下中の振り子の動きを測定し、着陸後の探査機の姿勢を示し、波による動きも示すように設計されていた。表面が液体であった場合、他のセンサーもその密度、温度、熱伝導率、比熱、電気的特性（誘電率と導電率）、および屈折率（臨界角屈折計を使用）を測定したはずです。ホイヘンス降下モジュールの底部から55 mm (2.2インチ)突き出た貫入計は、ホイヘンスが表面に着陸した際に貫入計の痕跡を作成するために使用されました。これは、着陸によって物体の表面を突き破り、物体内部に押し込まれる際に物体表面から機器に加わる力を測定することによって行われました。この痕跡は、約 400 ミリ秒の期間にわたって、この力を時間の関数として示しています。痕跡には最初のスパイクがあり、これは機器が DISR カメラで撮影された表面上の氷の小石の 1 つに衝突したことを示唆しています。
ホイヘンス宇宙科学計画（SSP）は、ジョン・ザルネッキ教授の指導の下、ケント大学宇宙科学部とラザフォード・アップルトン研究所宇宙科学部（現RAL Space）によって開発されました。2000年にジョン・ザルネッキ教授が異動した際、SSPの研究と責任はオープン大学に移管されました。
ホイヘンスは、フランスのカンヌ・マンデリュー宇宙センター（現在はタレス・アレーニア・スペースの一部）において、アエロスパシアル社の主契約のもとで製造された。耐熱シールドシステムは、ボルドー近郊（現在はエアバス・ディフェンス・アンド・スペースの一部）でアエロスパシアル社の責任のもと製造された。
マーティン・ベーカー・スペース・システムズ社は、ホイヘンス探査機のパラシュートシステム、およびタイタンへの降下を制御する構造部品、機構、火工品を担当しました。IRVIN -GQ社は、ホイヘンス探査機の各パラシュートの構造定義を担当しました。アービン社は、マーティン・ベーカー・スペース・システムズ社との契約に基づき、探査機の降下制御サブシステムの開発に携わりました。
打ち上げからかなり後になって、数人の粘り強いエンジニアが、カッシーニの通信機器に致命的な設計上の欠陥があり、ホイヘンスが送信したすべてのデータが失われる可能性があったことを発見した。[ 24 ] [ 25 ]
ホイヘンスは地球に直接送信するには小さすぎたため、タイタンの大気圏を降下中に取得したテレメトリーデータを無線でカッシーニに送信し、カッシーニがそれを直径4メートル（13フィート）の大型主アンテナを使用して地球に中継するように設計されました。ESA ESOCの従業員であるクラウディオ・ソラッツォとボリス・スメッズをはじめとする一部のエンジニアは、この機能が打ち上げ前に十分現実的な条件下でテストされていないことに不安を感じていました。スメッズは、多少苦労しながらも、カッシーニの飛行中に追加のテストを実施するよう上司を説得することに成功しました。2000年初頭、彼は地球からカッシーニにさまざまな電力とドップラーシフトレベルで模擬テレメトリーデータを送信しました。カッシーニはデータを正しく中継できないことが判明しました。 [ 24 ]
This was because under the original flight plan, when Huygens was to descend to Titan, it would have accelerated relative to Cassini, causing the Doppler shift of its signal to vary. Consequently, the hardware of Cassini's receiver was designed to be able to receive over a range of shifted frequencies. However, the firmware failed to take into account that the Doppler shift would have changed not only the carrier frequency, but also the timing of the payloadbits, coded by phase-shift keying at 8192 bits per second.[24]
Reprogramming the firmware was impossible, and as a solution the trajectory had to be changed. Huygens detached a month later than originally planned (December 2004 instead of November) and approached Titan in such a way that its transmissions travelled perpendicular to its direction of motion relative to Cassini, greatly reducing the Doppler shift.[24]
The trajectory change overcame the design flaw for the most part, and data transmission succeeded, although the information from one of the two radio channels was lost due to an unrelated error.
Huygens was programmed to transmit telemetry and scientific data to the Cassini orbiter for relay to Earth using two redundant S-band radio systems, referred to as Channel A and B, or Chain A and B. Channel A was the sole path for an experiment to measure wind speeds by studying tiny frequency changes caused by Huygens' motion. In one other deliberate departure from full redundancy, pictures from the descent imager were split, with each channel carrying 350 pictures.
Cassini never listened to channel A because of an error in the sequence of commands sent to the spacecraft.[17] The receiver on the orbiter was never commanded to turn on, according to officials with the European Space Agency. ESA announced that the error was a mistake on their part, the missing command was part of a command sequence developed by ESA for the Huygens mission, and that it was executed by Cassini as delivered.
チャンネルAが使用されなかったため、計画されていた700枚ではなく、350枚しか画像が受信されませんでした。カッシーニとホイヘンス間のドップラー電波測定もすべて失われました。地球からホイヘンスのドップラー電波測定は行われましたが、カッシーニが行った失われた測定ほど正確ではありませんでした。ホイヘンスに搭載された加速度計センサーと、地球からホイヘンス探査機の位置をVLBIで追跡することで、風速と風向をかなり正確に計算することができました。
ホイヘンスが計画とは逆方向に回転したため、プロジェクトチームによる生データからの表面モザイクの作成が数ヶ月遅れた。一方で、これは市民科学プロジェクトが表面モザイクの組み立てに挑戦する機会となった。これは、欧州宇宙機関がDISRの生画像の公開を承認し、市民科学者がインターネット上で結果を発表することを許可したため可能になった。[ 26 ]これらの市民科学プロジェクトの中には、科学界[ 27 ]、一般科学雑誌[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] 、および公共メディアで 大きな注目を集めたものもある。 [ 32 ] [ 33 ]メディアはアマチュアがプロを凌駕するという話を好んで取り上げたが、[ 28 ] [ 31 ] [ 32 ]参加者のほとんどは自分たちを市民科学者だと認識しており、彼らの活動の原動力は、これまで知られていなかったタイタンの表面をできる限り発見し、示したいという願望だった。熱心なプロジェクトの中には、ホイヘンスが着陸した翌日にタイタンの表面モザイクやパノラマを最初に公開したものもあった。[ 34 ] 別のプロジェクトでは、ホイヘンスのDISRデータを使って数ヶ月間作業し、認識可能な構造を持つほぼすべての画像を正しい位置に割り当てることができ、その結果、包括的なモザイクやパノラマが作成された。[ 35 ] この市民科学プロジェクトによる表面パノラマは、最終的にジョセフ・バーンズによるネイチャーのレビューの中で公開された。[ 36 ]
探査機はタイタンの表面、南緯10度34分23秒、西経192度20分06秒（南緯10.573度、西経192.335度、-10.573; -192.335 ）に着陸した。[ 2 ]
Spiegel Onlineの記事で、ESAの広報担当者は、オープンソースでの編集と合成を可能にするための生画像の公開は、生画像の公開が本当に良い戦略であるかどうかを確認するためのESAの研究の一環であることを確認した。