[論文レビュー] Interstellar Probes: The Benefits to Astronomy & Astrophysics

K. F. Long|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 10被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、Breakthrough Starshotが提起するようなロボット探査機を用いたインターセラスター探査が、遠隔測定のみでは得られないイン・サイト測定を可能にすることで、天文学および物理学に独自の科学的利点をもたらすと提唱している。レーザー推進を用いて質量数グラムの探査機を近くの星に向かって0.2cの速度で打ち出し、その結果として系外惑星、恒星系、および基礎物理学に関する高分解能データを取得できる。これは宇宙望遠鏡と補完的であり、複数の探査機を運用することで最終的にそれらを凌駕する科学的価値をもたらす。

ABSTRACT

Long range observations in the field of astronomy have opened up our understanding of the Solar System, the Galaxy and the wider Universe. In this paper we discuss the idea of direct in-situ reconnaissance of nearby stellar systems, using robotic probes. In particular, we consider what additional knowledge can be learned that can only be obtained by such close encounters. This may include calibration of existing measurements, detailed observations of stellar winds, astrometry measurements of stellar parallax, refinement of our understanding of physics through the use of long baseline interferometers. In addition, getting close to an exoplanet will enable detailed knowledge of planetary interiors, surface processes, geological evolution, atmospheric composition and climate, internal seismology, detailed surface morphology and even the speculative possibility of detecting the presence of microbial life, detailed palaeontology or even indigenous life-forms. We argue that astronomical remote sensing should be pursued in parallel with in-situ reconnaissance missions by robotic probes, so that both can enhance the discoveries and performance of the other. This work is in support of Project Starshot; an effort to send a Gram-scale probe towards another star at 0.2c within the next two decades, and return images and other data to the Earth. Presented at the 47th IAA Symposium on Future Space Astronomy and Solar System Science Missions. Session on Space Agency Strategies and Plans.

研究の動機と目的

• イン・サイトのインターセラスター探査の科学的利点が遠隔天文学的観測に比べてどのように優位であるかを評価すること。
• 近接探査によってのみ可能な、系外惑星および近隣恒星の具体的な天体物理学的測定を特定すること。
• 長距離望遠鏡とロボット探査機の並行的開発を、補完的科学的ツールとして提唱すること。
• レーザー帆推進を用いてアルファ・セントauri系に複数のグラム級探査機を送る技術的実現可能性と科学的リターンを評価すること。
• ビーム駆動推進技術の長期的スケーラビリティを、深宇宙探査および電力ビーム送信の文脈で探求すること。

提案手法

• 地上に設置された指向性エネルギー配列を用いたレーザー帆推進により、質量数グラムの探査機をアルファ・セントauriなどの近くの星に向かって0.2cの速度に加速することを提唱する。
• 探査機にミニチュア化された科学機器を搭載し、惑星内部、大気、表面形状のイン・サイト測定を実施することを概説する。
• 探査機を安定した基準として用いる長基線光学干渉計の性能をモデル化し、位置測定および光度測定を実施する。
• 長基線干渉計を用いた探査機をプラットフォームとして、一般相対性理論や量子効果のテストを実施することを検討する。
• 探査機からの低出力電波送信と、弱い信号を検出するための大規模な地上受信アンテナアレイの必要性を含めた、データ還送の課題を分析する。
• 将来の有人インターセラスター飛行および地球や衛星への電力ビーム送信を可能にする、スケーラブルなビーム駆動推進の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イン・サイトの系外惑星および近隣恒星系探査によってのみ得られる、どのような独自の天体物理学的測定が可能か？
• RQ2 時間経過とともに、インターセラスター探査機の科学的価値は、高度な低地球軌道望遠鏡と比べてどのように変化するか？
• RQ3 質量数グラムの探査機を0.2cの速度で宇宙空間に到達させるために直面する主な技術的・工学的課題は何か？
• RQ4 イン・サイト探査によって、遠隔測定プラットフォームの科学的成果をどのように補完的に高められるか？
• RQ5 ビーム駆動推進技術の長期的潜在的可能性は、インターセラスター探査およびエネルギー送信の分野でどのようなものか？

主な発見

• インターセラスター探査機は、遠隔測定のみでは得られない、系外惑星内部、大気組成、地質的進化、およびバイオシグネチャーの直接測定を可能にする。
• 系外惑星への接近探査により、高精度なアストロメトリと恒星パララックス測定が可能になり、恒星の運動および距離に関する理解が深まる。
• 安定したプラットフォームとしての探査機を用いた長基線干渉計は、地上または宇宙に設置された望遠鏡よりも高い分解能と安定性を実現し、一般相対性理論や基礎物理学のテストを改善する。
• レーザー帆推進を用いるBreakthrough Starshotミッション・コンセプトは、40年間のアルファ・セントauri探査を実現可能にするが、データ還送には大規模で感度の高い地上受信アレイが必要となる。
• 複数の探査機の群れを運用することで、単一の大規模探査機と同等の情報を集積でき、ミッションコスト当たりの科学的リターンを著しく向上させられる。
• スケーラブルなビーム駆動推進システムは、将来的には有人インターセラスター飛行および地球や衛星への電力ビーム送信を可能にし、宇宙探査およびエネルギー分配の新しいフロンティアを開く。