「はやぶさ」探査機の大気圏再突入の地上観測

国立天文台の渡部潤一氏をはじめとする研究グループは「国立天文台はやぶさ観測隊」として地上観測チームを編成し、今年6月13日にオーストラリアのクーパペディ近郊で「はやぶさ」の大気圏突入の様子を観測した。

どのような物質がどのような軌道で地球に飛び込むかがあらかじめわかっている「人工流星」現象を観測することは、流星や火球などの自然現象の観測結果からその構造や組成を推定するための鍵となる。

満月級を超える明るさだった、「はやぶさ」本体の発光

大気圏に再突入した「はやぶさ」探査機本体は流星となって発光し、分裂しながら複数回にわたって爆発的に明るくなった。

爆発時の明るさは、国立天文台の地上観測チームが用意していたほとんどの装置による観測の限界を超えていたため、通常の方法による明るさの算出は不可能であった。しかし、観測データを詳細に解析した結果、最大時の明るさのデジタル画像フレームにゴースト像が写り込んでいることがわかった。ゴーストの明るさは最大発光の明るさに比例し、かつ観測限界には達していないことから、ゴースト像の明るさが測定された。

ゴーストと光源との光量の差は、今回の観測に使用されたデジタルカメラのシステムの場合、約5万倍、つまり約11.7等の差である。同じ条件でベガなどの基準星を撮影し計算すると、ゴーストの元になった「はやぶさ」探査機本体のみかけ上の最大発光時の明るさは、マイナス12.3〜マイナス13.0等と算出された。後述する分光観測データの解析からも、最大でマイナス13.3等程度と推定されており、0.5等程度の誤差の範囲内で一致している。

この明るさを今年の中秋の名月と比較してみよう。今年の中秋の名月にあたる9月22日23時の月の位相角（満月からのずれ）は約10°で、月までの距離の変化や大気減光、誤差などの細かな要素を無視すれば、その明るさはマイナス12.4等となる。「はやぶさ」探査機本体の流星現象としての最大発光時の明るさは、今年の中秋の名月の明るさを超え、その約2倍に達したと言えるわけだ。

金星の明るさに達した、カプセルの発光

一方、耐熱シールドで保護された「はやぶさ」のカプセルはかなり安定して発光し続け、大気中で発光しなくなる高度に達する（ダークフライトに入る）まで観測された。カプセルの明るさもほとんどの機材の観測限界に達する明るさであった。観測チームでは、限界に達していないデータが得られた一部のカメラとビデオのデータをつなぎ合わせて光度曲線を得た。これによって、カプセルの流星としての光度もマイナス5等に達し、金星の最大光輝の明るさ（マイナス4.7等）に匹敵するほど輝いたことがわかった。

分光観測による発光の様子

また観測チームは、発光のスペクトルを得るためにグリズムと広角レンズによる低分散分光観測も行って、「はやぶさ」本体とカプセルのスペクトルとその時間変化を得た。その結果、本体が爆発的に明るくなり始める直前からすでに金属と思われる強い輝線が見え始め、「はやぶさ」本体が分裂しつつ各部品が一挙に昇華・蒸発している様子が明らかになった。なお、耐熱シールドで守られたカプセルは、空力加熱によって太陽表面の温度程度の黒体放射が卓越していたという。

分裂破片のサイズ分布

「はやぶさ」本体は小さな破片へと分裂したが、その破片の数は多いときで300個を越えるほどであった。破片のサイズと数の分布を調べた一例が画像3枚目のグラフで、べき指数は約1〜1.5の範囲であった。

破片のデータも明るく観測限界に達しており、その面積から明るさを推定するなど一連の導出プロセスにはかなりの誤差が含まれている。それでも自然の流星や彗星が分裂して破片になっていく場合のサイズ分布関数のべき指数（73P/シュヴァスマン・ヴァハマンの分裂破片の観測結果は2.1-3.3）などに比較すれば、明らかに小さい。これは探査機本体が大気中で分裂を繰り返しつつも、人為的に作られた最小部品のサイズが有限であるためと解釈できる。逆に流星体は、もっと大小様々なサイズの固体微粒子の集合体であることが示唆される。

『ただいま〜！』　「はやぶさ」帰還時の衝撃波音も公開

国立天文台・RISE月探査プロジェクトの石原吉明研究員らのグループが記録した大気圏突入時の衝撃波音が同プロジェクトのウェブサイトで公開されている（下記参照リンク）。これはオーストラリア・ウーメラ立入禁止区域内の、「はやぶさ」帰還軌道から約70km北に離れたGOS2観測点で観測されたもので、発光が観測され終わってから数分後に聞こえたものだ。重低音のためイアフォンを通さないとややわかりづらいが、まず大きく1回、続いて小さく数回聴こえるのがわかる。