1960 年代初頭の宇宙開発競争の間、米国の科学者もソ連の科学者も、火星や金星のような惑星がどこにあるのか、特に宇宙船の航行に不可欠な正確さと正確さについては知りませんでした。それはかすかにばかげているように聞こえるかもしれません。もちろん、彼らは大まかに知っていました 宇宙船がそこに到達したときに金星のようなターゲットがどこにあるのか.しかし、この文脈における「おおよそ」は、10,000 キロメートルまたは 100,000 キロメートルのオフセットかもしれません。惑星の位置、つまり天体暦は、時間の経過とともに軌道を非常に高い精度で校正することに依存しています。しかし、それを適切に行う唯一の方法は、直接測定することです.昔の船員が島や海岸線のすぐそばを航行して緯度と経度を特定する必要があったのと同じです.
この問題の悪名高い例は、1961 年初頭に発生しました。ソ連のベネラ 1 探査機の打ち上げを皮切りに、金星に探査機を送る計画が進行中でした。ソビエトとアメリカの科学者は、金星の位置を特定し、それを使用して天文単位を改良しようと競争していました。これは、地球の中心と太陽の中心の間の平均距離として定義されていました。 (レーダー信号を金星から跳ね返すことは、地球からこれを行う方法でした。) 数か月後、ソビエトは天文単位の改良された金星ベースの尺度を誇らしげに発表しました。しかし、アメリカ人は、これが彼ら自身のレーダーベースの測定値と約 100,000 キロメートル違うことをすぐに認識し、代わりに新しい惑星を検出した可能性があることを示唆して、喜んでソビエトを罵倒しました.
振り返ってみると、（時期尚早に引退することを避けたい科学者にとっては）運が悪かったため、距離測定の発表の頃に金星で飛行する予定だったソビエトの探査機は、失敗したことを含む一連の侮辱をすでに受けていました。熱制御と失敗した姿勢制御。金星の近くのどこかを通過した可能性は高いですが、その時点で探査機とのすべての通信が途絶えたため、それがどれだけ的外れであったかを正確に知ることはできません.
しかし、金星の位置を間違えると、本当に悲惨なことになる可能性がありました。ベネラ 1 号は、とにかく有用なデータを取得できなかったほど逃したか、不名誉な破壊のために惑星に突入した可能性があります。当然のことながら、このようなトラウマ的な教訓により、科学者たちは太陽系天体の天体暦をますます正確に突き止めることに汗を流してきた。しかし、大幅な改善にもかかわらず、宇宙船とその惑星のターゲットの両方を正確に特定するという根本的な問題は解消されていません。ある意味で、それはさらに深刻になっています。
今日、天体暦の管理者の 1 つは、カリフォルニア州のジェット推進研究所です。惑星、月、彗星、流星群、小惑星がどこにあると私たちが考えているかについて、慎重に精選され、継続的に更新されるデータを提供します。 ファーマーズ アルマナックの一種 惑星探査用。しかし、遠くに行けば行くほど、またターゲットがエキゾチックになればなるほど、課題は大きくなります。
非常に強力なレーザーによって推進される軽い帆を備えた小さな「ナノクラフト」をアルファケンタウリ星系まで送るという野心的な計画が起草されています。それは 4 光年以上離れており、光速の 20%、つまり時速約 1 億 3,400 万マイルで、少なくとも 20 年の旅を必要とします。別の星系の適切な場所に適切なタイミングでたどり着くという問題は、冥王星のような私たち自身の遠い外界の 1 つにさえたどり着くよりもはるかに大きな問題です。そして、冥王星にたどり着くのは十分に困難でした.
2006 年に記録破りの速さで打ち上げられた NASA のニュー ホライズンズ探査機は、9 年以上にわたって 50 億キロメートル近くを冥王星 (木星からの重力の助けを借りて) まで競争しました。ここ地球からの望遠鏡測定と、冥王星の軌道運動の高度なコンピューター モデリングを使用して、空の位置を約 0.00014 度の角度の精度で突き止めることができます。ただし、冥王星は非常に遠く離れているため、このわずかな不確実性が約 13,000 キロメートルの位置誤差につながり、近接フライバイの試みを著しく妨げるのに十分です。さらに複雑なことに、宇宙船は、プルトニウムで満たされた発電機からの不均一な熱放射からの崇高なエーテルの力により、軌道に予測困難なドリフトを経験しました.
ニュー ホライズンズは 2015 年 7 月にようやく遭遇し、打ち上げから到着までの人生のかなりの部分を文字どおり待っていた科学者たちを大いに救った。それは、慎重に選択された約12,500キロメートルの距離で冥王星を通り過ぎました。最終的に、ニュー ホライズンズが冥王星とそれに付随する衛星を通り過ぎて正しい軌道に近づくには、探査機自身のカメラを使用して細心の注意を払って位置を測定し、コースを修正し、多くの忍耐が必要でした。
冥王星を最も近いケンタウリ星、プロキシマと呼ばれる小さな赤色矮星と比較してみましょう。それは私たちの太陽に対して、毎秒約 32.19 キロメートルであることが知られている総速度で動いています。しかし、秒速 0.01 キロメートルという最下位の数値は、600 万キロメートル強の 20 年間のミッションで蓄積された位置の生の不確実性に変換されます。それが星です。明るく、比較的簡単に研究できる天体です。システム内の惑星は10億倍暗くなり、特定するのがはるかに難しくなります.ニューホライズンズと同様に、星間探査機はおそらく独自のターゲットを追跡する必要があります.地球との通信が往復するには何年もかかるため、自律的に行う必要があります。
小さな宇宙船が、これを行うために必要な計算ツールキットや感覚および操縦能力を運ぶことができるかどうかは、まだ分からない.明るい星自体は、ナビゲーション ビーコンを形成する私たち自身の太陽と合わせて、利用するのに最適なマーカーになる可能性があります。小型レーザー ダイオードからの小さなパルスは、操縦するための推力を提供することができます。おそらく鍵となるのは、数百、さらには数千のナノクラフトを送信することです。各ナノクラフトには適度な AI と、互いに学習する能力があり、空間と時間の目標を達成することができます。大規模な冗長性と多くの犠牲。しかし、星であろうと惑星であろうと、飛んでいる弾丸を別の飛んでいる弾丸で捕まえようとすると、うまくいかないことがあります。
数千キロメートルまたは数百万キロメートルにわたる位置の不確実性が、探検家にとって問題になる可能性があることを認識するのは難しくありません。慣れ親しんだものを超えて私たちの範囲を広げようとすると、明らかに、物理的な現実を図表化する能力に容赦のない要求が課される可能性があります.しかし、これらの例は、私たちの世界の概念と、それをどのように成文化して相互作用するかについて、より深い真実にもつながります。
興味深いことに、恒星や惑星を周回する物理学の基本的な性質は、非常に小さな位置の不確実性に依存し、文字通りシステム全体の存続を左右する可能性があるということです。この根源は、重力のある物体の間の動的カオスの現象、交絡するが数学的に図表化可能な不安定性、および天体の動きの予測不可能性にあります。カオスは 1880 年代から認識されていましたが、研究者が太陽系の惑星の重力による運動を正確にシミュレートする専用のコンピューターを開発したのは 1980 年代になってからのことです。私たちが住んでいる空間がいかに混沌としているかを明らかにするシミュレーション。
太陽系の内容物の動きを数千万年から数十億年にわたって追跡すると、水星のような惑星の位置のミリメートルレベルの変化がすべての違いを生むことがわかります.相対的な軌道が穏やかな未来、または内部太陽系が不安定になり、惑星を太陽に投げつけたり、星間空間への脱出軌道に乗せたり、世界を互いに衝突させたりする未来になる可能性があります.
このようなわずかな違いが根本的に異なる結果を引き起こす可能性があるということは、世界で何らかの予測可能性を望んでいるほとんどの人間には受け入れられません.これは、私たちが種として苦労しているように見える何かを物語っています。私たちが現実と呼んでいるものは固定されている、または少なくとも予想通り流動的であると考えると安心できます。めったにありません。
マシンを別の世界、さらには別の星に送るとき、私たちは自分の不正確さと不正確さを完全に認め、そこにあるものについての限られた理解について完全に、容赦なく正直に言うしかありません。自然の法則でさえ、完全に不完全な測定に基づいた演繹であり、それは惑星の軌道や重力、あるいは代数学における論理と記号操作の特性のいずれであろうと、後者は人間の心とそれらの心が作り出す機械によって「測定」されます。驚くべきことは、これらの法則によって物理世界のさまざまな側面をモデル化し、予測できることです。この能力は、何千年もの間、私たちを安心させ、助けてきました。私たちは問題を好転させることに成功し、今では、不安定な気象条件や不安定な株式市場から、もちろん惑星に至るまで、自然全体で発生するはずの混乱の種類を予測することができます.
だからこそ、限界について正直であることは美しいことなのです。空間、時間、理解の境界を越える方法を見つけることができます。金星や他の世界の位置を把握していた 1960 年代のロケット科学者たちは、おそらく自分たちでさえ気付いていなかった先駆者でした。彼らは、信じられないほど滑りやすいものを特定しようとして、虚空を横切って手を伸ばしただけではありませんでした.彼らは、私たちが現実そのものと呼んでいるものの基本的な性質に私たちを開いてくれました.
Caleb Scharf は天体物理学者であり、ニューヨークのコロンビア大学の宇宙生物学のディレクターであり、人間と機械の意識を研究する研究所である yhousenyc.org の創設者です。彼の最新の本はです ズーム可能な宇宙:ほとんどすべてのものからほとんど何もないものまで、宇宙規模の壮大なツアー。 Twitter @caleb_scharf で彼をフォローしてください。
脚注
1. Ulivi, P. &Harland, D.M. による説明太陽系のロボット探査:パート 1:黄金時代 1957-1982 スプリンガー・プラクシス、ニューヨーク、ニューヨーク (2007).
2. Greene, K. Starshot の内部では、小さな船をアルファ ケンタウリに撃つという大胆な計画。 MIT テクノロジー レビュー (2019).
3. カリフォルニア州シャーフ史上最速の宇宙船？無限の人生 blogs.scientificamerican.com (2013).
4. Batygin, K. &Laughlin, G. 太陽系の動的安定性について。 天体物理ジャーナル 683 、1207-1216 (2008).
先頭の画像:このアーティストのレンダリングでは、時速 31,000 マイルで宇宙を疾走するニュー ホライズンズ宇宙船が、冥王星のフライバイのデータを収集する準備をしています。クレジット:NASA / APL / SwRI
