パーカー太陽探査機はどれくらい速いのか？驚くほど速い

パーカー・ソーラー・プローブが、史上最速の人工物体という称号を獲得しました。NASAが今年8月に打ち上げたこのロボット探査機は、現在太陽のごく近くにあり、太陽の外側のコロナを探査する航路を進んでいます。

皆さん、ご質問があるかと思いますので、早速始めたいと思います。

どれくらいの速さで進んでいますか?

NASAによると、現在の速度は時速153,545マイル（秒速68.6キロメートル）です。しかし、実際には、これは単に超高速という意味です。地球上で最速の人工物が、おそらく秒速2.52キロメートルのレールガン弾であることを考えると、これほどの速度のものを想像するのはほぼ不可能です。つまり、パーカー・ソーラー・プローブは、地球上で観測されている最速の物体の27倍もの速度で移動していることになります。すごい速さです。

これは光の速度とどのような関係があるのでしょうか?

もちろん、光はさらに速いです。光の速度は約3 x 10 ⁸ m/s（300,000 km/s）です。しかし、なぜそれが重要なのでしょうか？物体を光速（あるいはそれ以上）まで加速させることはできないからです。なぜでしょうか？まずは例を挙げてみましょう。1ニュートンの力で、静止している質量1kgの物体を1秒間押したとします（簡単な数字を使っています）。運動量の原理によれば、運動量は質量と速度の積です。また、物体に加えられた力は、運動量の変化率を示します。つまり、1ニュートンの力が1秒間加わると、運動量は1kg*m/s（変化の部分が重要です）変化するということです。

これは主に超高速の場合に有効です。運動量のより適切な定義を用いる限り、運動量原理は依然として有効です。（1次元では）このように見えるはずです。

この式では、p は運動量（なぜかは聞かないでください）、c は光速を表しています。速度が光速に近づくにつれて、同じ力に対する速度の増加ははるかに小さくなることに注意してください。実際、速度が光速に等しい場合、ゼロで割ることになりますが、これは一般的に良くないことです。

念のためお伝えしますが、運動量には2つのモデルがあるわけではありません。より複雑な運動量モデルを使うこともできます。例えば、質量0.142kg、速度35m/sの野球ボールの運動量を計算してみましょう。まず、質量×速度の簡単な公式を使うと、497kg×m/sという値が得られます。次に、より複雑な公式を使って計算してみましょう。なんと、同じ結果が得られます。可能な限り、簡単な公式を使うことをお勧めします。

パーカー・ソーラー・プローブは光速と比べてどれくらい速いのでしょうか？プローブの速度を光速で割ると0.00023になります。正確には0.00023c（cは光速）と表すことができます。確かに速いですが、光速ほどの速さではありません。

なぜこの速度は太陽に対して相対的なのでしょうか?

パーカー・ソーラー・プローブの速度について、太陽中心速度というラベルが貼られているのを目にすると思いますが、これはどういう意味ですか？

地球上では、これが問題になることはほとんどありません。時速55マイル（約80km/h）で車を運転している場合、誰もがこの速度を静止した地面を基準にして測定していることを理解しています。実際、速度は何らかの基準系を基準として測定された場合にのみ意味を持ちます。地球上では、明らかに基準となるのは地面です。

地球の表面を基準フレームとして使いたくない場合はどうでしょうか？警察官に車を止められ、「こんにちは、時速67,055マイル（約100,000キロ）で走っていましたよ」と言われるところを想像してみてください。地球は静止していないので、確かにその通りかもしれません。太陽の周りを公転するには、1年で太陽の周りを一周するために時速67,000マイル（約100,000キロ）の速度で移動しなければなりません。そうです、（太陽に対して）速いのです。

パーカー・ソーラー・プローブの地球に対する速度を測定したい場合、難しい問題となります。なぜなら、得られる値は一つだけではないからです。探査機が太陽に近づくにつれて、探査機と地球は異なる方向に移動する可能性があります。そのため、太陽に対する相対速度は一定であっても、地球が太陽の周りを公転しているため、地球に対する相対速度は変化します。

本当にクレイジーになりたいなら、銀河中心のような別の基準系を使うこともできます。でも、クレイジーにならないようにしましょう。

探査機はどのようにして自身の速度記録を破るのでしょうか?

探査機は、現在の速度よりもさらに高速で飛行します。NASAは、2024年に太陽に近づくにつれて、探査機の速度がわずかに速くなると予測しています。しかし、なぜ太陽に近づくにつれて速度が速くなるのでしょうか？

ここで重要な考え方が2つあります。1つ目は重力です。これは太陽と探査機の間に働く引力です。この力は、両者の距離が縮まるにつれて大きくなります。あ、ご安心ください。地面に近づいても重力の増加は感じられません。たとえ垂直方向に1000メートル移動したとしても、半径637万メートルの地球の大きさに比べれば取るに足らないものです。

問題のもう一つの側面は円運動です。宇宙探査機が円軌道を周回していると想像してみてください（実際にはそうではありません）。物体が円運動をするには、円の中心に向かって引っ張る力が必要です。この横方向の力の大きさは、物体の速度の2乗に比例しますが、円の半径には反比例します。重力と必要な円運動の力を合わせると、軌道速度は次の式で表せます。

この式では、M _sは太陽の質量、G は重力定数です。しかし、重要なのは、半径が小さくなるにつれて速度が増加するということです。これは単なる物理学です。

宿題

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パーカー太陽探査機の現在の速度（太陽に対する相対速度）における運動エネルギーを計算してください。はい、探査機の質量を調べるか推定する必要があります。
発電機に接続されたエアロバイクに乗った人間を乗せて、プローブの速度を上げていくとします。人間は好きなだけ50ワットの電力を出力できます（交代で2人乗ることもできます）。プローブを現在の速度まで上げるにはどれくらいの時間がかかりますか？
探査機は約3ヶ月間宇宙に滞在しています（3ヶ月としましょう）。探査機がこの間ずっと一定速度で移動していたと仮定します（現在の速度を使用）。地球を基準とした速度と時間のグラフを作成してください。3ヶ月で地球の方向が変わることを覚えておいてください。
プローブが現在の速度に達するには、キャンディーバーを何本「食べる」必要があるでしょうか？はい、プローブは食べると仮定しています。これも役に立つかもしれません。

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