パーセベランスの目が捉えた別の火星

7分間の恐怖は終わった。パラシュートが展開し、スカイクレーンのロケットが発射された。ロボットトラックが「ピーン」と音を立てた！  人類が1億2800万マイル（約2億3000万キロメートル）離れた火星で科学研究を行うために開発した探査車「パーセベランス」が、火星に着陸した。ふぅ。

パーシーは今、たくさんの目を開いて周囲を見回しています。

探査車には数十台のカメラが搭載されており、ドローンヘリコプターに搭載されている2台を含めると25台になる。そのほとんどは探査車の安全運転を支援する。少数のカメラは、かつてそこに何かが生息していた痕跡を探して、古代の火星の岩や砂を注意深く観察する。カメラの中には、それを作った人間とほぼ同じように色や質感を捉えるものもある。しかし、それらはより広い範囲、あるいはより狭い範囲も捉えている。探査車のカメラは、人間の目や脳が認識できる範囲を超えた色彩を想像する。それでもなお、人間の脳は、探査車から送られてくる画像の意味を理解する必要がある。

生命の痕跡を見つけるには、かつて人が住めそうだった場所に行く必要があります。今回の場合は、ジェゼロ・クレーターです。30億～40億年前は浅い湖で、壁を堆積物が流れ落ちていました。現在では、高さ45メートルの崖となり、古代のデルタ地帯に広がり乾燥した堆積物によって縞模様と多彩な色彩を呈しています。

これらの色は地質学的なインフォグラフィックです。地層、地層、時代を経て積み重なった時間、そして化学組成を表しています。NASAの科学者たちは、適切なカメラを向けることで、観察している鉱物が何であるか、そしてもしかしたら、火星の小さな生き物たちがかつてこれらの堆積物を住処としていたかどうかも特定できるでしょう。「火星に古代の生物圏の証拠を保存する堆積岩があるとすれば、それはまさにこの場所で見つかるでしょう」と、アリゾナ州立大学の惑星科学者で、探査機の目の一つを担当する主任研究者ジム・ベルは言います。「そこにあるべき場所です」

彼らが探しているのはまさにそれです。しかし、彼らが目にするのはそれではありません。なぜなら、現実世界の50メートルのインフォグラフィックで最も興味深い色のいくつかは、目に見えないからです。少なくとも、地球にいるあなたや私には見えません。色は、光が何かに反射したり、何かの周りを回ったり、何かを通り抜けたりして目に当たった時に現れます。しかし、火星の光は地球の光とは少し異なります。そして、パーセベランスの目は、私たち人間には見えない光、つまり反射したX線や赤外線、紫外線の光を見ることができます。物理的には同じですが、知覚は異なります。

ベルのチームは、パーセベランスのタワーの頂上に設置された超科学双眼鏡「マストカムZ」を運用している（ZはズームのZ）。「マストカムZは、まだ選定されていない火星の地点に向かう探査機のために開発したので、あらゆる可能性を考慮して設計する必要がありました。火星のあらゆる地点の地質を捉えるのに最適な目です」と、西ワシントン大学の惑星科学者でマストカムZの共同研究者であるメリッサ・ライスは語る。

近距離では、Mastcam-Zは約1ミリメートルの細部まで見分けられます。100メートル先では、わずか4センチメートルの幅の特徴も捉えます。これは私たち人間よりも優れています。また、色もより鮮明に捉えます。正確には「マルチスペクトル」で、人間が慣れ親しんでいる広帯域の可視スペクトルだけでなく、約12種類の狭帯域の、ほぼ色に近い色も捉えます。（ライス氏は、このすべてについて非常に優れたオタク的記事を共同執筆しています。）

2台のカメラは、コダック製の標準的な市販イメージセンサー、つまり携帯電話に使われているような電荷結合素子（CCD）を使って、この高度な監視機能を実現しています。このセンサーを特別なものにしているのは、フィルターです。CCDの前には、赤、緑、青を捉えるピクセル層があります。4つの正方形を想像してみてください。上の正方形は青と緑、下の正方形は緑と赤です。これをモザイク状に繰り返し広げます。これはベイヤー配列と呼ばれ、人間の目にある3つの色を感知する光受容体のシリコン版です。

火星と地球は同じ太陽光を浴びています。あらゆる波長の、同じ光の寄せ集めです。しかし、火星は地球より遠いため、その量は少ないです。地球は水蒸気で満たされた厚い大気を持ち、あらゆる光を反射・屈折させますが、火星の大気はわずかで、赤みがかった塵で満ちています。

火星では、赤や茶色が多用されます。しかし、火星でそれらを見るには、全く別の知覚フィルターが加わります。「私たちは、最小限の加工で撮影した生のカラー画像に近い、近似した真のカラー画像を提示しようとしています。これは、人間の目に火星がどのように見えるかを示す一つのバージョンです」とライス氏は言います。「しかし、人間の目は地球の光の下で風景を見るように進化しました。人間の目に火星がどのように見えるかを再現したいのであれば、火星の風景に地球の光の条件をシミュレートする必要があります。」

つまり、パーセベランスの生の映像を処理する画像処理チームは、火星の色を地球の色に調整できる。あるいは、火星上の物体に当たる火星の光のスペクトルをシミュレートすることもできる。そうすれば、見た目は少し変わるだろう。現実には及ばないわけではないが、火星に住む人間が実際に見ているものに近づくかもしれない。（火星人が何を見ているかは分からない。もし火星人に目があったとしても、その目はあの空の色を見分けられるように進化しているはずだし、彼らの脳は、まあ、異星人のものだからだ。）

だがライス氏は、そんなことはどうでもいいと思っている。「私にとって、結果はある意味、視覚的なものでさえありません。私が興味を持っているのは定量的な結果です」と彼女は言う。ライス氏は、特定の波長の光が岩石内の物質によってどれだけ反射または吸収されるかを調べている。この「反射率値」を見れば、科学者は自分が見ているものを正確に知ることができる。ベイヤーフィルターは、840ナノメートルよりも長い波長、つまり赤外線の光を透過する。その層の手前には、別のフィルターセットが付いたホイールがあり、人間の目に見える光の色を遮断すれば、赤外線カメラの完成だ。より狭い波長のセットを選ぶと、赤外線の異なる波長をどのように反射するかによって、特定の種類の岩石を識別および区別することができる。

パーセヴェランスが出発する前に、Mastcam-Zチームはカメラがどのようにそれらの違いを捉えるかを正確に知る必要があった。彼らは「ジオボード」を作成した。これはデザインのブレインストーミング会議に使えるほどの参照色見本と、実際の四角い岩のスライスを載せたものだ。「火星にあることが分かっているもの、火星で見つかることを期待しているものなど、あらゆる種類の物質の岩の板でこれを組み立てました」とライス氏は言う。例えば？そのボードには、ベイサン石と石膏という鉱物の破片があった。「通常のカラー画像では、どちらも真っ白な岩にしか見えないのです」とライス氏は言う。どちらも主にカルシウムと硫黄だが、石膏にはより多くの水分子が混ざっており、水は赤外線の特定の波長で他の波長よりも多く反射する。「より長いMastcam-Z波長を使用して疑似カラー画像を作成すると、どちらがどちらかが一目瞭然になります」とライス氏は言う。

マルチスペクトルでマルチタスクをこなすMastcam-Zにも限界はある。解像度はテクスチャの描写に最適だが（後ほど詳しく説明する）、視野角はわずか15度ほどで、アップロード帯域幅の遅さは家庭用ルーターの負担を増大させるほどだ。パーセベランスが地球に送ろうとしている素晴らしい画像の数々は、実際にはそれほど多くのものを見ているわけではない。少なくとも、一度にすべてを見ることはできない。こうした光景はすべて、技術と距離によって制限されてしまうのだ。「おい、我々の仕事はトリアージだ」とベルは言う。「色は『おい、これは面白い。化学的に何かが起こっているのかもしれない、何か違う鉱物があるのか​​もしれない、何か違うテクスチャがあるのか​​もしれない』ということを示すための代替手段として使っている。色は何か別のものの代替なのだ。」

ローバーの視野の狭さは、科学者が期待するすべてを見ることができないことを意味しています。ベル氏と彼のチームは、南カリフォルニアの砂漠でカメラとロボットの実験をシミュレーションした際に、その限界を身をもって体験しました。「あるフィールドテストで、同僚たちが冗談半分で、そして教訓として、ローバーの進路沿いに恐竜の骨を置いたことがありました」と彼は言います。「私たちはそのすぐそばを通り過ぎてしまったのです。」

実際の元素を特定するには、そしてさらに重要なことに、かつて生命が存在していた可能性を解明するには、さらに多くの色が必要です。その中には、さらに目に見えない色もあります。そこでX線分光法が役に立ちます。

具体的には、パーサヴィアランスの腕に搭載されたセンサーの一つ、惑星X線岩石化学観測装置（PIXL）を運用するチームは、鉱物の元素組成と微細組織を組み合わせようとしています。こうして、生きた微生物の塊からしか形成されない、ごく小さなドーム状や円錐状の構造を持つ堆積層、ストロマトライトが発見されます。地球上のストロマトライトは、地球最古の生命の証拠の一部を提供しています。パーサヴィアランスの科学者たちは、火星でも同様の結果が得られることを期待しています。

PIXLチームのリーダーである、ジェット推進研究所の宇宙生物学者兼野外地質学者アビゲイル・オールウッド氏は、以前にも同様の調査を行ったことがある。彼女はこの技術と堆積物の高解像度画像を組み合わせて、オーストラリアで地球最古の生命の痕跡を発見し、グリーンランドの同様の堆積物が古代生命の証拠ではないことを突き止めた。グリーンランドでこれを行うのは容易ではないが、火星ではさらに困難だろう。

X線は人間が見る光と同じ電磁スペクトルに属しますが、波長ははるかに短く、紫外線よりもさらに短いです。電離放射線であり、クリプトン人にとっては色があるだけです。X線は様々な種類の原子を蛍光させ、特徴的な光を発します。「私たちは岩石にX線を照射し、その信号を検知して元素の化学組成を調べます」とオールウッド氏は言います。PIXLとアームの先端には、明るい白色の懐中電灯も付いています。「前面の照明は、岩石を見やすくし、化学組成と目に見える質感を結び付けるための手段として考案されました。これは火星ではこれまで行われていませんでした」とオールウッド氏は言います。当初、色は少し厄介でした。熱や寒さが電球に影響を与えたのです。「最初は白色LEDを試しましたが、温度変化によって同じ色合いの白色が得られませんでした」と彼女は言います。「そこで、カメラを納入してくれたデンマークの人たちが、カラーLEDを提供してくれたのです。」それは赤、緑、青、そして紫外線でした。これらの色の組み合わせが、より優れた、より安定した白色光を生み出しました。

この組み合わせなら、火星のストロマトライトを発見できるかもしれない。クレーターを横切るマストカムZのパンニングなどによって、可能性のあるターゲットを見つけた後、探査機はゆっくりと近づいてアームを伸ばし、PIXLが探査を開始する。粒子や鉱脈といった微細な特徴から、岩石が火成岩か堆積岩か、シチューのように溶け合ってできたものかサンドイッチのように層になっているかがわかる。他の特徴の上にある層の色は、それぞれの年代の手がかりとなる。理想的には、目に見える色と質感の地図が、X線の結果から生成される目に見えない数字だけの地図と一致するはずだ。適切な構造が適切な鉱物と一致すれば、オールウッドはオーストラリア型の生命の兆候なのか、それともグリーンランド型の破片なのかを判断できる。「PIXLで本当に興味深いのは、化学反応を通して、目に見えないものを見せてくれることです」とオールウッドは言う。「それが鍵となるでしょう。」

オールウッド氏は、PIXLの微細なスキャンから膨大な成果が得られることを期待している。切手サイズの視野に6,000個の点を推定し、それぞれに複数のスペクトル結果を与える地図だ。彼女はこれを「ハイパースペクトル・データキューブ」と呼んでいる。

もちろん、パーセヴェランスには他にもカメラや機器、スキャナーが搭載されており、岩石や表土の破片に秘められた意味のヒントを探しています。PIXLの隣には、岩石を全く異なる方法で観察する装置があります。レーザーを照射して分子を振動させる装置です。これがラマン分光法です。パーセヴェランスが収集するデータはハイパースペクトルでありながら、多面的であり、ほとんど哲学的な意味を持つほどです。これは、ロボットを別の惑星に送ったときに起こることです。ある太陽系外惑星研究者が私に語ったように、有人探査ミッションやサンプルリターンで持ち帰った岩石こそが、最良の地上データを生み出すでしょう。その背後にはX線分光法とラマン分光法があり、さらに探査車や探査機のカメラが続きます。そしてもちろん、これらすべてが火星で連携して機能しています。

「火星で生命を発見するということは、『これこれの機器が何かを見つけた』という単純な話ではありません。『すべての機器があれこれと観測し、その解釈によって生命の存在が合理的に導かれる』という話になるでしょう」とオールウッド氏は言う。「決定的な証拠などありません。複雑なタペストリーなのです」。そして、良質なタペストリーのように、全体像は、丁寧に織り合わされた色の縦糸と横糸からのみ浮かび上がってくる。

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