太陽に最も近いカメラ：直接目に見えないものをどう見るか？ | sorae宇宙のポータルサイト

欧州宇宙機関（ESA）とNASAの太陽探査船「ソーラー軌道「ミッションはある」パラドックス」があります。科学者たちはプローブを介して前例のない太陽に近い写真を撮ろうとしていますが、近づけば近づくほど探査機が集めた光が観測機器に損傷を与えるです。」船に搭載した機器で太陽から来る可視光線を観測したいのですが、一方でどのように可視光線での機器を保護する方法を考えていました。「ドイツマックスプランク太陽系研究所で、太陽光軌道の観測装置「Polarimetric and Heliospheric Imager（PHI）」チームのメンバーであるAchim Gandorfer氏は言います。

これはPHIだけでなく、それぞれの観測機器を開発するすべてのチームが直面した困難な問題でした。 ソーラー軌道は、6つの望遠鏡を含む10個の観測機器を搭載しており、そのほとんどが太陽を直接見ることができるように設計されています。 観測装置が太陽を直接見ると、強い光と熱の影響を受けるおそれがあるが、科学の観点から十分な光を集めなければならなりません。 この難題に各チームは自分の解決策を見つけて、太陽の光の軌道は、現在の観測を開始するところです。 一体どのようなソリューションをしたのでしょうか。

■過酷な環境に耐えることができる、現代の技術

太陽に近い極端な環境での太陽光軌道のイラスト。 最も近いとき、太陽から約4200万キロに位置し、太陽に最も近い惑星である水星の公転軌道より内側です。 太陽から受ける熱は、地球の軌道を回る衛星の約13倍に達している。 この熱に耐えることができ、多くの観測装置は、500℃まで耐えられるように、テストしたヒットシールドに守ら盾の小さなスライドドアで観測装置に光を取得します。 光をインポートするとき熱を防止特殊窓を通してです。 太陽電池パネルは、太陽に近い場所では、機器の損傷を防止するために、太陽に正面を向くことはしておらず、逆に、太陽から離れたときには、十分な電力を得ることができるよう、太陽に向けた形になります。 Credit：ESA

はじめにソーラー軌道がどのような環境に耐えなければならか、そしてその基本的な対策について見てみよう。 太陽にアクセスするためには、非常に高い温度に耐えることができなければならない、これが最初の大きな問題です。ソーラー軌道は、太陽から約4200万キロまで接近するように設計されており、これは太陽に最も近い惑星である水星の公転軌道よりも内側されます。 このような距離で太陽は恐ろしい存在です。 ソーラー軌道より若干遠い水性にも、その表面温度が400℃を超える、これは鉛を溶かすほどの高温です。 ソーラー軌道は、この列に耐えながら無事観測できるようにする必要がありました。

この距離まで太陽に接近した最初のプローブは、1970年代半ば “ヘリオス」ということでした。当時、西ドイツの宇宙機関DLRは、NASAが作った2台の宇宙船が太陽から4600万キロ・4300万キロの間を飛行しました。実際にヘリオスは、太陽を直接見るような望遠鏡とカメラを搭載してておらず、ヘリオス自分の周囲にある粒子と磁場を測定することが主な観測機器でした。また、一つの方向にマンガ過熱されないように1分60度回転をしていました。こうすれば、どのような意味では、太陽の強い光と熱の問題を「解決」したと言うことができます。ソーラー軌道も同じ観測装置を搭載していますが、ヘリオスと異なるのは、太陽の画像を撮影することです。太陽の画像と一緒に観察・測定することにより、太陽で発生したイベントとソーラー軌道周辺の物理的な環境がどのように変化するかを結びつけることができるのです。

任務を安全に実行するために、太陽光の軌道がとった措置は、特別なヒットシールドによって自分自身を保護した。 この盾はチタン、炭素繊維、そしてアルミを含む材料で構成されており、太陽から受けたエネルギーを側面に伝え探査で逃がすして500℃以上の温度に耐えることができます。 この遮蔽して観測装置は、適切な温度で動作することができるようになるのです。

それではこれで解決かというとそうではありません。 太陽を直接見る必要があるカメラは、シールドの影に隠された状態では使用できず、何とか日光をカメラに導入する必要があります。 「基本的にはシールドに穴を掘る必要があります。 “観測機器の一つ”コロナ環境のスペクトルイメージング（SPICE）「主任研究者であるFrédéricAuchère氏は言います。SPICEは、コロナと呼ばれる熱い太陽大気と低温太陽の表面を接続するガスの性質を明らかにしようとしています。このガスは、電気を帯びており、これらのガスは、プラズマといいます。 プラズマは、太陽の磁場に沿って宇宙に放出されるが、SPICEは、プラズマ放出極端紫外線を観測します。 つまり、太陽の方を向いてなければならないということです。 結果的に「私たちは、地球の位置に比べて10倍から15倍の電力に耐えなければなりません。」（FrédéricAuchère氏）

■「サングラス」を探して

太陽に近づくソーラー軌道の想像図である。 （Credit：ESA）

SPICEが観測できるようにするための鍵は、SPICEが観測したい光は、紫外線だけであることでした。 私たちが見ることができる可視光線を集める必要はなく、可視光は、太陽からの熱のほとんどを移してくるので、これをカット場合はSPICEにはもってこいです。 だからSPICEチームは、光を受ける最初の光学機器で紫外線のみ感度ミラーを用意しました。 鏡は、紫外線だけ反射して検出器のための可視光線や他の波長の光は、まさに通過させ、他のミラーによって探査機で逃がすしたものです。

ソーラー軌道を持つ他の5つの望遠鏡もそれぞれ独自の方法で問題を解決することができます。 例えば、 “極紫外線イメージャ（EUI）“は、ヒットシールドに開いている「穴」で太陽を見ています。穴は非常に薄いアルミフィルターをクリックして、（台所のアルミ箔のようなものだが、より薄いものです）、それが可視光線と熱の大部分を反射して防いでます。

その後、EUIや他の機器の対策を見てみましょう。

■機器の安全性を持っていますか？ 科学探求かかりますか？

EUIのチーフサイエンティストであるDavid Berghmans氏は、デバイスの安全性と探求しようとする科学のバランスというデザインの挑戦について語っています。 「工学や安全性の観点から、穴は可能な限り小さくしたい。一方、良い写真を撮影するために穴が小さすぎると、光が不足します。」 EUIに幸運になったのは、物理学の法則であった。 望遠鏡がどのよう細かいものまで見ることができているか（解像度）は、主に穴のサイズ（約望遠鏡シリンダー径のようなもの）を観測したい波長除算した値で決定されます。 EUI観察したい紫外線は可視光線よりも波長が短いため、穴の大きさは、可視光線を観測する場合よりも小さくてもされています。

「X-ray分光/望遠鏡（STIX）「より短い波長を持つX線を観測する装置です。STIXの首席研究員であるSämKrucker氏は「X線を観測するために、私たちは、観測装置の前面に薄い金属板を置いて熱から保護することにしました。 プレートはベリリウムになっており、非常に軽く、X線を比較的よく通じます」と言います。

「Polarimetric and Helioseismic Imager（PHI）「可視光線を観測し、太陽の明るさマップを作り、また、太陽表面付近の磁場を測定する装置であるが、この場合はどうでしょうか。開発チームは、科学的な研究に必要なのは、可視光の広い波長の特定の狭い波長領域の光のみ場合をわかった。他の光は、宇宙に解除することができるでしょう。PHIチームは観測しようとする赤い波長以外はすべてブロックするようにコーティングされた、非常に高度な窓を開発し、この問題を解決しました。」この窓を見ると、自分が見えるある。 鏡に似たものです。」（Achim Gandorfer氏）

「混血児“は”コロナグラフ“と呼ばれる装置です。コロナグラフは、文字通り太陽コロナを観測するための装置であり、太陽電池の軌道だけでなく、太陽観測に使用されるものです。太陽の原型が見えるように板のようなものを置いて周りに見える太陽コロナを観測しつまりMetisの場合は、元の太陽を直接見る必要がないと言うことができます。

「Heliospheric Imager（SoloHI）“も、太陽を直接見るのデバイスではないため、対策は比較的簡単だった。SoloHI太陽を見る代わりに、太陽風に乗って、太陽から離れていく電子の散乱光を捕捉します。それでも探査機の太陽電池パネルとヒットシールドでの反射光を低減するために板のようなものを備えています。

■太陽の影は「寒さを耐え」？

▲ソーラー軌道が「ブーム」と呼ばれる腕とアンテナを展開する姿を見せたアニメーション。
（クレジット：ESA / ATG medialab）

ソーラー軌道が克服しなければならは、極端な熱だけではありません。 プローブの周囲の状況について測定する機器の多くの反対に不気味寒さに耐えることができる必要があります。 これらのデバイスは、「ブーム」と呼ばれる4.4メートルのアームに位置しており、プローブの後ろ側にあるため、常にヒットシールドの影になっています。

また、3つのセンサーを含む “太陽風アナライザ（SWA）「極端な暑さと極端な寒さの両方に耐えることができる必要があります。電子を分析するシステムは、ブームの端に位置しており、常にヒットシールドの影にあります。SWAの首席研究員であるChristopher Owen氏は「私たちは、非常に寒いところにあります」と言います。 “放置すると、マイナス100℃にもなってしまうので、暖かくしてください。”

しかし、SWA他の2つのセンサは、観測したい粒子をつかむために、太陽に向かっている必要があります。 このセンサは、プロトンとアルファ粒子と呼ばれる粒子を捕捉と重イオンを把握もので、ヒットシールドコーナーの近くに配置されて、自分の小さなヒットシールドを持っています。 その「ミニヒットシールド」にある小さな隙間から粒子を導入が、そのままでは、センサにダメージを与える光も入ってしまいます。 ここでも設計を考案していました。

陽子と重イオンは電気を帯びており、電界（電界）があると進む方向をバイパスすることができます。 このことを利用して、2つのセンサは、スリットの後ろに局所的に（狭い範囲で）強い電界を発生させて、検索の粒子をヒットシールドの後ろに取ることができるように設計されました。 スリットから入ってくる光は曲がることなく、デバイスの背面に過ぎていきます。 「静電気を利用した潜望鏡だ」（Christopher Owen氏）

■太陽光軌道の価値は？

太陽に近づくための各デバイスの対策を見てきたが、これらの対策を含むいくつかの観測装置を搭載する太陽光軌道が複雑プローブであることの違いがありません。 ヒットシールド前500℃以上、ブームの先端はマイナス100℃になることも探査機は、広範な温度に耐えるます。 しかし、太陽の謎に答えを得るために、可能な限り太陽に近づく可能な限り多くの種類の観測機器を使用する必要があります。 ソーラー軌道部プロジェクトの科学者であるYannis Zouganelis氏にこのことがミッションを大切にするとします。 「私たちが従事して大きなテーマは、4つの方法があります。しかし、その研究を進めていくには何百もの小さな疑問に一つ一つ答えを出す必要があります。 “

4つの主題は太陽風と太陽コロナの磁場研究、太陽から突発的に発生するイベントとそれに伴う太陽風、太陽コロナの影響の研究、太陽物質の噴出とそれに応じて発生するエネルギーを持つ粒子の研究、そして太陽の磁場の生成に関する研究です。ソーラー軌道が取り組む科学的な内容は、関連記事を参照してください。

ソーラー軌道は、自分の周りを調査するだけでなく、太陽の画像を撮ることができるという点に大きな特徴があります。 これらのプローブは、これまで存在しなかった。 2018年に打ち上げられたNASAの太陽探査船「パーカーソーラープローブ「太陽に接近して観測を行いますが、カメラを搭載していません。パーカーソーラープローブによる観測も重要であることに違いはないが、太陽電池の軌道のように画像で見ることができるのは、より多くの人に影響を与えることができるでしょうか「私たちは、多くの謎に答えを出すことを期待していますが、同時に新たな疑問も出てくるでしょう。 他の探査だけでなく、太陽光の軌道のミッションでも驚くべき発見を得ることができ確信しています」（Yannis Zouganelis氏）

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画像クレジット：ESA
出典： その
文/北越康敬