科学者は将来、金星上空に空中ロボットを浮かべるかもしれない

本当に残念です。金星は地球とほぼ同じ大きさと質量です。地形は地球のように岩が多く、固く締まっています。かつては海があったかもしれません。NASAは金星に探査機を送りたいと熱望しています。しかし残念なことに、金星の表面温度は華氏800度（摂氏約400度）で、圧力が強すぎて人が潰れてしまうほどです。惑星全体が、猛毒の硫酸粒子で覆われ、視界を遮られています。探査機にとって、これは決して楽なことではありません。

1980年代にロシアのベガ計画によって打ち上げられた探査機は、金星表面にわずか56分間しか滞在できませんでした（その前身であるソ連のベネラシリーズの着陸機も、突如として機能を停止しました）。こうした状況から、金星探査は行き詰まりに見えるかもしれません。おそらく、金星は環境があまり良くないため、火星に比べて研究がはるかに進んでいません。姉妹惑星であるにもかかわらず、金星について私たちはほとんど何も知らないのです。

しかし、将来の金星探査者たちが希望を失う前に、上を見上げてみるのが良いだろう。ベガ計画のもう一つの成果は、宇宙探査における偉大な成功の一つと考えられている。それは、金星の火山平原から54キロメートル上空の中層大気を漂った気球だ。上空は実に温暖で、気温は約27℃（華氏80度）、気圧は地表とほぼ同じだった。気球は金星の周りを約11,000キロメートル飛行し、バッテリーが切れるまで地球の2日以上を航行した。搭載されていた限られたセンサーは、気温、気圧、風、光度、雲の粒子、高度に関する直接的および間接的なデータを提供した。（このミッションの最近の分析によると、気球は硫酸の雨の中を漂っていた可能性があることが明らかになった。）

NASAは、地表の熱と圧力に耐えられるスチームパンク風の機械探査車の開発を模索する一方で、空中探査も検討している。金星の空には何が見つかるのだろうか？「金星の雲の中に固有の生物が存在することを想像するのは、決して難しいことではない」とカール・セーガンはかつて記した。（おそらく、浮袋を持ち、水と鉱物を好む生物だろうと彼は言った。）昨年、科学者たちは大気中にホスフィンと思われる物質の痕跡を検出した。これは嫌気性生命の兆候、あるいは単なる火山活動の兆候かもしれない。この発見は、金星の地表と同じくらい高温の地球外生命体に関する議論を巻き起こした。

「金星に空中プラットフォームを飛ばすことは非常に有利になるでしょう」と、ノースカロライナ州立大学の惑星地質学者ポール・バーン氏はWIREDの取材にメールで答えた。NASAチームの気球研究には関わっていないものの、バーン氏はこのアイデアが、金星の大気の化学測定から現代の弱い磁場の証拠、地表の赤外線画像まで、研究者に多くの新たなデータをもたらす可能性があると考えている。「金星気球？ぜひお願いします」

これは、2019年にNASAジェット推進研究所（JPL）、カリフォルニア工科大学（Caltech）、そして国際的な科学者からなるチームが、将来の金星空中ミッションの主要目標の一つである金星の地震学の盗聴を達成できる気球の製作に奔走した理由を説明するものです。5月にGeophysical Research Letters誌に発表された彼らの研究結果は、地球の地震によって引き起こされる大気中の低周波音波を捉えることが、金星の地震を観測するための素晴らしい練習となることを示しています。

地震学は波動について研究します。地震の震源は池に投げ込まれた石のようなものです。その擾乱は地殻に沿って波紋のように広がります。この動きは、地表直上の空気の圧力変化へと変換されます。この圧力変化によって、超低周波（人間には聞こえないほど低く、長くゆっくりとした音波）が発生します。この超低周波は、震源から真上に上昇する震源波（震央波）と、地震波が地表に沿って進む際にその上を伝わる表面波（地表波）の両方で大気中を伝わります。

地球上では、地震観測地上局のネットワークがセンサーを用いてこれらの波を検知し、震源と地震の強度を特定しています。今回の研究では、センサーを搭載した気球が空中から同様のことを行えることを実証しています。震源波または地表の超低周波のみを捉える気球搭載型気圧計は、地震の位置と強度に関する知見を提供することができます。また、両方を捉える気圧計は、惑星の地殻の様子を解明できる可能性があります。これは、実際には目に見えない惑星の表面を調査する上で役立つ可能性があります。

（地震学のデータは、私たちが目にできるものにも適用できます。インサイト着陸船による火星地震の記録は、火星の地殻の地図を作成する上で非常に貴重なものとなっています。）

金星の地震学を上空から研究することが可能であることを証明するため、研究チームはオクラホマ州での飛行キャンペーンを計画した。オクラホマ州は、おそらくフラッキングの影響で地震が頻繁に発生しており、大気圏上空から地球の地響きの超低周波音を聞き取れるかどうかを試した。しかし、2019年にJPLのロサンゼルス本拠地付近でリッジクレスト地震が連続して発生し、数千もの小規模な余震が引き起こされたとき、シニアプログラムマネージャーのジェームズ・カッツ氏、研究技術者のシッダールタ・クリシュナモーシー氏をはじめとする研究チームは、チャンスを察知した。「これは迅速に行う必要がありました。時間が経つほど余震は弱くなり、回数も減るからです」とクリシュナモーシー氏は言う。

問題は、まだ風船がなかったことだ。慌ただしい16日間をかけて、彼らは4つの超軽量「ヘリオトロープ」を必死に作り上げた。直径約6メートル、高さ約3.7メートルの、プラスチックシートとテープで作った簡素な風船だ。トータス、ヘア、ヘア2、クレイジーキャットと名付けられたヘリオトロープは、木炭で覆われたプラスチック製の風船「エンベロープ」内の空気が太陽熱で温められ、成層圏へと上昇した。風に乗って自由に浮遊し、それぞれの風船の下には気圧センサーが取り付けられ、かすかな余震の音を聞き取っていた。

2019年7月22日、その余震で地面が揺れた。余震が気球の下を通過する際、地表の超低周波涛（インフラサウンド）波の擾乱が発生し、上空4.8キロメートルまで伝播してトータスの気圧計に当たり、一連の微小な気圧変化として記録された。これらの変化は非常に小さかったため、クリシュナモーシーは飛行後数ヶ月かけてデータ分析を行い、ようやくその変化を確認した。しかし、そこにあったのは、気球付近の地上4か所の地震計の記録と見事に一致する微小な波のプロファイルだった。余震からの超低周波音の伝播を再現したコンピュータモデルとも一致していた。トータスは地震の音を聞いていたのだ。

しかし、金星の大気圏に浮かぶ気球は、地震の超低周波音を捉えることができるのだろうか？ 金星では、気球ははるかに高い高度、つまり5キロメートルではなく約50キロメートルを飛行することになる。ルイジアナ大学ラファイエット校の理論音響物理学者アンディ・ペトクレスク氏によると、その高度では金星の酸性の雲が超低周波音を減衰させ、検知がやや難しくなる可能性があるという。（金星の音はどんなものだろうか？ 音波の減衰率の違いによって、地球、タイタン、金星、火星でバッハの音がどんな音になるかについての彼の研究はこちら。）

しかし、他の要因も気球に有利に働くだろう。金星の風は時速200マイル（約320キロメートル）以上で安定して吹いているが、安定した高度にある気球は、風に乗って飛行する際に比較的「静か」な状態を保つはずだ（風と同じ速度で飛行する熱気球に乗っている時の静けさを想像してみてほしい）。バーン氏によると、金星の大気は非常に厚いため、金星の表面は地球の約60倍も大気と結合している。つまり、地震のエネルギーは金星の大気圏にはるかに容易に伝わり、地震計を浮かべるのに最適な場所となるのだ。

将来の金星気球も、自家製ヘリオトロープよりもはるかに複雑なものになるでしょう。代わりに、Googleが最近終了した「Loon」プログラムで設計された、テニスコートほどの大きさの自動航行気球のようなものを想像してみてください。この気球は、高高度気球を使って世界中にインターネットを送信することを目指していました。（このプログラムは終了しましたが、気球はうまく機能し、2017年にはハリケーン・マリアで通信インフラが破壊されたプエルトリコにインターネット接続を提供し、ペルーでは壊滅的な洪水の後、緊急電話サービスを復旧させました。）

JPLの惑星科学者ジェームズ・カッツ氏によると、金星探査ミッションには、高度可変型の「エアロボット」と地球への通信中継用の惑星周回衛星が組み合わされる可能性が高いという。高度一定で飛行するベガ気球とは異なり、金星探査エアロボットは2つの気球「エンベロープ」で構成され、ヘリウムガスを交換することで浮力を増減させ、約10キロメートルの高度上昇または下降が可能になる。（これにより、カリフォルニアの研究で使用されたヘリオトロープとは異なり、夜間飛行も可能になる。）

このエアロロボットは太陽電池と充電式バッテリーで駆動し、下部に吊り下げられたゴンドラに100～200キログラムのペイロードを搭載できる。これはロシアの8キログラム気球からの大幅な改良となる。カッツ氏は、ミッション期間は100日間を想定しており、その間に気球は金星の風に乗って金星を20周以上周回することになる。

2020年のNASAのフラッグシップミッション概念研究報告書には、着陸機、周回機、そしてファルコン9ヘビー・エクスペンダブルロケットで金星に運ばれる2基の小型衛星を含む、より大きな潜在的パッケージの一部としてエアロロボットが含まれていました。エアロロボットは周回機から分離し、エアロシェルによって摩擦と熱から保護された状態で金星の大気圏に突入します。パラシュートは機体の初期降下速度を落とし、気球を膨らませます。「金星の大気圏突入は地球よりも密度が高いです」とカッツ氏は言います。「[機体の突入]を、6階建てのビルからセメントのボウルに車両を落とすことに例える人もいます。」この減速によって50Gの力が生じる可能性があります。これは厳しい着陸ですが、NASAが試みた中で最も厳しいものではありません。

展開・膨張後、エアロロボットは地球のヘリオトロープが観測に使用しているのと同様の気圧計を用いて地震活動を検知し、貴重なデータを地球に送信します。「金星地震については、ほとんど何も分かっていません」とバーン氏は言います。「実際、金星地震が起こるかどうかさえ確信が持てません。誰もが必ず起こると想定していると思いますが。もし地震を検知できれば、金星が地質学的に活発であるという確固たる証拠が得られます。そして、地震の種類、発生場所、規模、そしてそれらの特徴が既存のレーダー画像データで観測できる構造とどのように比較されるかによって、金星の地殻変動の性質と挙動について膨大な情報を迅速に得ることができるでしょう。」

搭載されたエアロゾル質量分析計は、惑星のガス雲を調査し、ホスフィンなどの注目化学物質の痕跡を探すこともできるでしょう。デジタルホログラフィック顕微鏡は、注目する個々の粒子（液滴、氷晶、あるいは何か他のもの？）を研究することができます。エアロボットは、より低く危険な高度でデータを測定できる2つ目のプローブを牽引するかもしれません。おそらく、エアロボットは2つの気球システムを時折作動させ、大気圏下方に降下して測定を行い、その後、比較的安全な酸性の空へと再び上昇するでしょう。

カッツ氏と彼のチームは今後2年間で、小型のエアロロボットを製作し、地球上で展開・膨張試験を行う予定です。また、プロトタイプ機の長期飛行試験も実施したいと考えています。探査機のアレイの繊細な部品は、金星の酸性雲のシミュレーションで試験される可能性があります。NASAのコンセプトミッション研究によると、最良のシナリオでは、打ち上げは2031年、エアロロボットは2034年までに金星の大気圏に突入する可能性があります。

ほんの数週間前、研究チームはオクラホマ州を訪れ、ヘリオトロープを使ったさらなる地震観測を試みた。大草原の上空を巡航する簡易気球は、フラッキングによる地震の音を拾うというよりは、他の惑星の大気圏でデータを取得する空中ロボットとはかけ離れているように思えるかもしれない。しかし、私たちはすでに火星に地震計を設置している。金星の空に地震計を浮かべるのも、私たちが考えているほど遠い未来のことではないかもしれない。

2021 年 8 月 6 日午後 12 時 1 分更新: このストーリーは、金星の音響に関する情報を Andi Petculescu 氏に帰属させるために更新されました。

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