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人類は何世代にもわたって、他の星系に旅立ち、異星に足を踏み入れることを夢見てきた。控えめに言っても、恒星間探査は非常に困難な課題である。以前の記事で探ったように、宇宙船がケンタウルス座アルファ星(プロキシマ・ケンタウリはその伴星と考えられている)に通常の推進力(または現在の技術で実現可能な推進力)を使って到達するには、1000年から8万1000年かかる。その上、恒星間物質(ISM)を旅する際には多くのリスクがあり、そのすべてが解明されているわけではない。

このような状況下では、指向性エネルギー推進(別名レーザー)に頼るグラムスケールの宇宙船が、今世紀中に近隣の星に到達するための唯一の実行可能な選択肢であるように思われる。提案されているコンセプトには、Space Initiativesのチーフ・サイエンティスト、 Marshall Eubanks氏が率いるSpace InitiativesとInitiative for Interstellar Studies(i4is)の共同研究であるSwarming Proxima Centauriがある。このコンセプトは最近、今年のNASA革新的先端コンセプト(NIAC)プログラムの一環として、フェーズI開発に選ばれた。

Eubanks氏によれば、星間空間を移動するのは距離、エネルギー、速度の問題である。太陽系から4.25光年(40兆km:25兆マイル)の距離にあるプロキシマ・ケンタウリでさえ、底知れぬほど遠い。参考までに、人類が作り出した探査機がこれまでに到達した最も遠い距離の記録は、現在地球から240億km以上離れている探査機ボイジャー1号である。従来の方法で、探査機は最高時速61,500kmを達成し、46年以上も旅を続けている。

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Swarming Proxima Centauriのイメージ。コヒーレントなピコ宇宙船が星間距離を越えて群がる。 (Credit: Thomas Eubanks)

要するに、相対論的速度(光速の数分の一)以下で移動すると、恒星間航行は途方もなく長くなり、まったく現実的ではない。このために必要なエネルギーを考えると、最大質量数グラムの小型宇宙船以外は実現不可能である。Eubanks氏はUniverse Today誌に電子メールでこう語っている:

もちろん、ロケットは速く飛ぶための一般的な方法です。ロケットは “物質”(通常は高温のガス)を後方から投げることで機能し、後方に向かう物質の運動量は、前方に向かう車両の速度上昇に等しい。ロケットの本質は、後方に向かう物の速度が、前方に進みたい速度に匹敵する場合にのみ、本当に効率的であるということです。そうでない場合、あるいは非常に小さい場合、望む速度を得るのに十分なものを運ぶことができません。

厄介なことに、私たちには秒速60,000kmのような速度で多くのものを放り出すことができる技術、つまりエネルギー源を持ちません。反物質がこれを可能にする可能性はありますが、反物質を十分に理解していないし、十分な量の反物質を作ることも出来ません。

対照的に、Breakthrough StarshotやProxima Swarmのようなコンセプトは、”ロケットの反転”で構成されている。従来のロケットの大部分を占める重い推進剤の代わりに、ライトセイルのエネルギー源は光子である(光子は質量を持たず、光速で移動する)。しかし、Eubanks氏が指摘したように、これではエネルギーの問題を克服できず、宇宙船をできるだけ小さくすることがさらに重要になる。

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太陽系に最も近い恒星である赤色矮星プロキシマ・ケンタウリを周回する惑星プロキシマbの想像図。(Credit: ESO/M.Kornmesser)

レーザーセイルで光子を跳ね返せば、物体の速度の問題は解決します。しかし問題なのは、光子にはあまり運動量がないことです。今から数十年後に利用できるであろうパワーを考えると、推力は弱く、プローブの質量は非常に小さくする必要があります。

彼らの提案では、100ギガワット(GW)のレーザービーマーで、相対論的速度(光の10~20%程度)まで一度に数千個のグラムスケールの宇宙探査機をレーザーの帆で押し上げることになっている。彼らはまた、直径1平方キロメートル(0.386平方キロメートル)の一連の地球型ライトバケットを提案し、探査機がプロキシマ・ケンタウリに到達するまでの道のりを十分に進んだ後(通信が困難になった後)、探査機からの光信号をキャッチする。彼らの見積もりでは、このミッションコンセプトは今世紀半ば頃には開発準備が整い、今世紀第3四半期(2075年以降)までにプロキシマ・ケンタウリとその地球に似た太陽系外惑星(プロキシマb)に到達できるという。

以前の論文で、Eubanks氏と彼の同僚は、1000機の宇宙船団が、星間航行と地球との通信維持によって課される困難を、群力学によって克服できることを実証した。「収集面積を1km2まで上げ、多くの探査機が送信を調整することで、(小さいとはいえ)妥当なビットレートを得ることができます」と彼は付け加えた。しかし、恒星間距離と一般相対性理論によって課される通信の往復8年のタイムラグが、地球から探査機を遠隔操作することを不可能にしている。

そのため、群体は、航行(1000機の探査機の調整)や地球に帰還させるデータの決定に関して、並外れた自律性を持たなければならない。これらの戦略は、(少なくとも当面は)距離、エネルギー、速度に対処するものだが、群体と関連インフラを構築するためにどれだけの費用がかかるかという問題が残っている。最も大きな出費はレーザーアレイそのものだが、グラムスケールのクラフトはそれなりに安価に製造できるだろう。以前の記事でEuvanks氏が『Universe Today』に語ったように、彼らの提案は1000億ドルの予算で開発可能だ。

しかし、Euvanks氏が(当時も今も)強調しているように、彼らが構想しているミッション・アーキテクチャの利点は数え切れないほどあり、プロキシマ・ケンタウリに探査機の群れを送り込めば、その見返りは天文学的なものになるだろう:

レーザーで推進する恒星間ミッションのコストは、軽量な探査機とそれを星まで推進する巨大なレーザーシステムで、資本コスト、つまりレーザーシステムのコストが大半を占めるという単純な事実があります。それに比べれば、探査機そのものはかなり安い。だから、1機でも送れるなら、たくさん送るべきです。探査機をたくさん送れば、冗長性という利点があるのは明らかです。宇宙旅行はリスクが高く、恒星間旅行は特にリスクが高いだろうから、探査機をたくさん送れば、高い損失率も許容できる。しかし、我々はもっと多くのことができます。

ですから、探査機を惑星に非常に接近させ、地表や大気の良好な写真やスペクトルを得るのが良いでしょう。24年以上先の惑星がどうなっているのかよくわからないので、1つの探査機では難しいでしょう。多くの探査機を分散して送ることで、少なくとも数機は惑星に接近し、我々が望むクローズアップの画像を得ることができるはずです。

Euvanks氏と彼の同僚たちは、ロボット探査機の首尾一貫した大群の開発が、より身近なところで応用されることを期待している。群ロボット工学は現在注目の研究分野であり、エウロパの内部海洋探査、火星の地下都市発掘、宇宙空間での大型構造物の組み立て、地球軌道からの異常気象追跡などの可能性が検討されている。宇宙探査や地球観測にとどまらず、群ロボット工学は医療、積層造形、環境研究、全地球測位ナビゲーション、捜索救助などにも応用されている。

恒星間ミッションがアルファ・ケンタウリに旅立つ準備が整うまでには何十年もかかるかもしれないが、Euvanks氏や彼の同僚たちは、2024年のNIACプログラムにNASAが選んだ一人になれたことを光栄に思い、興奮している。彼らにとって、研究は長い年月を要したが、これまで以上に実現に近づいている。「ほぼ10年という長い時間がかかりましたが、選ばれて光栄に思っています。これからが本当の仕事の始まりです」。


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この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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