ハクソク

世界を動かす技術を、日本語で。

NASAのボイジャーが太陽系の端で30,000〜50,000ケルビンの「壁」を発見

336日前原文(iflscience.com)

概要

  • 1977年に打ち上げられたNASAの Voyager探査機 の目的
  • 太陽系の端と ヘリオポーズ（heliopause） の観測
  • 探査機が 「火の壁」 と呼ばれる高温領域を通過
  • ヘリオポーズの位置と性質に関する新発見
  • Voyager 1と2 が外宇宙からもたらした重要データ

Voyager探査機と太陽系の境界

  • Voyager 1とVoyager 2 は1977年にNASAによって打ち上げられた無人探査機
  • 主な目的は 太陽系の端 と星間空間（interstellar medium）の調査
  • 太陽系の端の定義には複数あり
    • 惑星の終わり
    • 太陽重力圏（オールトの雲）
    • 太陽磁場の端（ヘリオポーズ）
  • 太陽は 太陽風 （charged particles）を絶えず放出
    • 太陽風は冥王星の約3倍の距離まで到達
    • その先で星間物質（interstellar medium）と衝突
  • 太陽風が作る巨大な泡状領域が ヘリオスフィア（heliosphere）
  • ヘリオスフィアの外側が ヘリオポーズ（heliopause）
    • 太陽風と星間風の圧力が釣り合う境界
    • 太陽風はここで押し返され、ヘリオスフィアの尾部へ流れる

「火の壁」とVoyagerの突破

  • ヘリオポーズ付近は「 火の壁（wall of fire）」と呼ばれる高温領域
    • 温度は 30,000～50,000ケルビン （54,000～90,000華氏度）に達する
  • 2012年8月25日、 Voyager 1 が人類初のヘリオスフィア突破
  • 2018年には Voyager 2 も続いて突破
  • ヘリオポーズの位置は一定ではなく、 太陽活動 によって拡大・縮小
    • 2機が異なる距離で突破したことからも判明
  • 「火の壁」は実際には粒子が非常に希薄なため、探査機への熱ダメージは極小
    • 高エネルギー粒子が多いが、衝突確率が低い

ヘリオポーズ突破後の発見

  • Voyager 1と2は「火の壁」を越えた唯一の探査機
  • 外宇宙からも観測データを地球に送信し続ける
  • ヘリオポーズ外の 磁場 に関する新発見
    • Voyager 1の観測で、ヘリオポーズ外の磁場が内側と 平行 であることが示唆
    • Voyager 2の観測でこの事実が確認される
    • これにより、外部磁場の配向が局所的な現象ではなく 広範な特徴 であることが判明

まとめ

  • Voyager探査機 は太陽系の境界を越え、星間空間の直接観測を実現
  • 「 火の壁」の実態や ヘリオポーズ の性質に関する重要な知見を提供
  • 今もなお、太陽系外から貴重なデータを送信し続ける唯一の存在

Hackerたちの意見

元のNASA JPLの投稿へのリンクを変更した方がいいかもね： https://www.jpl.nasa.gov/news/voyager-2-illuminates-boundary...

└

編集できなくなっちゃったみたいだけど、そのリンクは高温環境を直接指してないよね？ 読み間違えたかな？

すごく熱いのに、ほとんど密度がないって考えるのは変な感じだよね。だから熱の移動もほとんどないし。

└

実際、宇宙のほとんどはそうなんだよね。宇宙はすごく熱い環境で、特に太陽に近いところではね。考えてみて。外で太陽の下に立っていると、体が熱くなるでしょ？その熱は全部太陽から来てるんだ。でも、大部分は大気によってフィルターされてるから、地球の近くの宇宙では、放射線の観点から言うと、晴れた日の赤道に立っているよりも熱いんだよ。それに、宇宙では熱を逃がすのがすごく難しい。国際宇宙ステーションのラジエーターは、ソーラーパネルよりもずっと大きいんだ。もし長時間の宇宙活動用スーツを作るなら、自分の体よりもずっと大きなラジエーターをつけなきゃいけない。短時間の宇宙活動は、スーツ内に冷たい液体を入れておいて、それが温まるのを利用するんだ。火星に行く宇宙船の模型は、余分な熱を逃がすためのラジエーターの位置をほとんど考慮してないよね。

└

この「壁」の両側の温度はどれくらいなんだろう？私の頭の中のモデルは多分間違ってるけど、壁の外側の「温度」は高いかもしれないけど、密度がずっと低いから、熱の移動が少ないんじゃないかと思ってる（でも、当たると高温の高エネルギー粒子がいる）。熱移動と測定された温度の違いについては、いつも混乱しちゃう。

└

近くの話で言うと、金属を研磨するときにも似たようなことがあるよね。火花はすごく高温だけど、通常は火を起こしたり、火傷をすることはない（状況によるけど）んだ。なぜなら、火花が触れるものが小さすぎて、実際のエネルギーを与えられないから。火の危険が出るのは、触れるものが微細なもの（例えば、ほこり）で、熱を吸収したり広げたりできないときだけ。アルミホイルで焼くときにも似たようなことが起こるよ。ホイルは350°Fくらいになるけど、熱を持ったものが見えないところにくっついてなければ、すぐに触れることができる。ホイル自体は火傷するほどの熱量がないからね。でも、もしチーズや水の塊が裏側にあったら、びっくりすることになるかも。

└

温度は全然有効な測定値だよ。物理学者にとってはね。でも、クリックベイトの記事にはあまり関係ない。高エネルギー粒子は、そんなに注目を集めないからね。本当にそんなに熱いなら、私たちはCMBを2.7Kの心地よい温度で観測することはできないだろうね。

└

俺も同じこと思った。すごく熱いのに、実際の熱はあんまりないって感じ。パーカー・ソーラー・プローブも似たような状況にあって、高い放射線を扱わなきゃいけないけど、低密度で信じられないくらい熱い粒子が周りにいるから、プローブが生き残るのはそんなに難しくないんだよね。

└

アークランプの中のプラズマ（例えば、キセノンヘッドライト）はだいたい6,000から10,000Kくらいだよね。それから、温度が数百万度になる核融合炉みたいなものもあって、デザインの目的は熱を保つことなんだ。編集：面白いことに、電気アークの中では、しばしば電子の運動エネルギー（温度）が重いイオンや原子よりも高いんだ。これは非常に非平衡な状況で、あなたの「高温、遅い移動」っていうのにうまく当てはまるよね。プラズマ内の原子ですら、電子の完全な温度には達しないから。

└

「非常に熱いけど、ほとんど密度がないものを考えるのは変だね」 いや、全然変じゃないよ。むしろ普通だと思う。見た目だけでやってるハリウッド女優を考えてみて。パメラ・アンダーソンやメーガン・フォックスみたいな人たち。

└

宇宙の他の部分と同じで、すごく冷たいけど、すごく空っぽだよね。

ボイジャーはここで「温度」を測るためにどのセンサーを使ってるの？

└

https://science.nasa.gov/mission/voyager/spacecraft/ いくつかのツールを使ってるみたいだね。説明から推測すると、データが戻ってきたときに温度みたいな簡単なことを測ったり比較したりできるみたい。

└

プラズマ波センサーの機器を使ってるみたいだね。> https://space.physics.uiowa.edu/plasma-wave/voyager/

2006年に学校で、太陽系の外には「火の壁」があって、絶対に越えられないって言われたのを覚えてる。その時点でこの情報が推測されてたかはわからないけど、その先生は少なくとも部分的には正しかったね！

└

たぶんそうだね。星間距離を移動しようとすると、たまにすごく熱い粒子が船に当たることになるから。ゆっくり移動すると、高エネルギー粒子に当たる時間が長くなるし、早く移動しようとすると、相対的に高エネルギーの粒子に当たることが増える。これが星間旅行を不可能にするかもしれないね。

└

それは変だね。どの授業だったの？その話をする理由は何だったの？

見出しを読むのと記事を読むのの面白い例だと思った。見出し：> NASAのボイジャーが30k-50kケルビンの「壁」を見つけた... 記事：> 硬いエッジではなく、時には「壁」と呼ばれることもあるけど...

ほぼ50年前の技術からまだ有用な科学が得られてるのがすごいね。ニューホライズンズが他に星間に行くことが期待されてる唯一の探査機だと思う。

宇宙の温度に比べて、地球の生物がどれだけ冷たいか考えることがよくある。絶対零度は理論上の最低温度で、クエーサーはなんと10兆ケルビン（10,000,000,000,000K）らしいけど、私たちが知っている生物は250Kから400Kの間なんだよね。

└

これについては知ってたけど、直感的な理解じゃなくて数値で示してくれるのはすごく面白いね。小さな火でも生物よりずっと熱いけど、地球のこの比較的冷えたバブルの外で起こっていることに比べたら、全然大したことないよね。

└

0ケルビンは理論上の最低温度なんだ。負の温度システムについて紹介するよ！

└

基本的には、関連する構造がちょっと脆いからなんだ。マット・ストラスラーが「なぜ私たちが気にするものは宇宙の速度制限に比べてこんなに遅く動くのか？」についていい記事を書いてるよ（https://profmattstrassler.com/2024/10/03/why-is-the-speed-of...）。その答えは、私たちが原子でできていて、原子は電磁力で結びついてるけど、その力は限界があるから、もしもっと速く動いたら衝突で原子が壊れちゃうってこと。もちろん、生命は原子だけでなく、原子を結びつけるよりもずっと弱い電磁結合にも依存してるから、これが温度の上限を制限してるんだ。

└

まあ、ガス状態のゴーストみたいな生命体がいない限り、分子が一緒にいる必要があるよね、生命を形成するためには。

└

面白いことに、私たちは原子と星のちょうど中間の幾何平均にいるんだ！(人間のスケールでね)

└

まあ、地球の生命体は水に依存してるし、特に液体の状態の水にね。もしかしたら、他の化学や物質の相に基づくエキゾチックな生命の可能性もあるかもしれない。でも、地球が水に基づく生命にとってのこの特別なゴルディロックスゾーンで形成されたってのが、今見える唯一の生命の理由かもしれないね。

└

ちょっとした豆知識を言わせてもらうと、人物にちなんで名付けられたSI単位は大文字にしないんだよ。だから、ニュートン、ジュール、ウェーバー、ケルビンって書くけど、略語は大文字になる：N、J、Wb、Kね。

50年経ってもこの2つのプローブからデータが取れてるのはすごいけど、これが唯一のプローブだってのは本当に残念だよね。あと5年か10年、長くてそれくらいしか動かないんじゃない？まだ動いてるのがエンジニアリングの奇跡って言われてるし。10年、20年、30年後に育つ子供たちはどうなるんだろう？学校でボイジャーのことを教わって、「これが宇宙探査の黄金時代の学びだったけど、君たちが生まれるずっと前に終わっちゃったんだ、続けるのが面倒だったからね」って言われるんだろうな。70年代に育った俺としては、月の探査をやめちゃったのが裏切られた気分だよ。宇宙探査への夢が嘘になっちゃった。『あそこにはもう発見することはない』って言うのはナンセンスだし、32nm時代に「チップはこれ以上小さくできない」って言われてたのと同じくらいおかしい。長期的な宇宙探査へのコミットメントがないのは本当に無駄だよ。確かにシステム内でいくつかのことはやってるけど、もっと進んだ機器を使った深宇宙探査を数年ごとに続けていれば、今頃もっといろんなことがわかってたはずだし、未来に向けて新しいデータが長期的に入ってきてたはずなんだ。今は「有用なデータが戻ってくるまで数十年かかる」って言われて、深宇宙探査を打ち上げる議論が却下されてる。そう、だって我々が進化を止めちゃったから！その間に、こういう探査が時代遅れになってしまったのも、フラットアーサーや他の科学の迷信が政府の最高レベルでも蔓延る理由の一つだよ。

└

ボイジャーはもちろん、惑星の配置を利用してグランドツアーを行ったんだ。次に同じ配置になるのは175年後らしいよ。まあ、太陽系外のプローブは重力スリングショットを使えば、外側の惑星をあまり訪れなくてもいいかもしれないね。そうなると、時間のスケールが変わるかも。

└

ニューホライズンズは星間媒質に向かって送られてるんだ。最近は深宇宙ミッションのほとんどが軌道衛星や着陸機になってきて、ボイジャーやパイオニアみたいに星間媒質ミッションを兼ねるフライバイミッションは減ってきてるけど、ニューホライズンズはその一つだよ。

└

探査、特に宇宙探査は、常に軍事的な利点と結びついてきたんだ。もし軍事機関にとって探査が自分たちの利益になると興味を持たせられれば、宇宙の復活が見られるかもしれない。でも、それは軍事的な利点が続く限りの話だね。これは私たちの社会の残念な現実だ。私たちは、国防総省にとって有利な時にしか宇宙にお金を使ってこなかったし、一般的に軍事にとってもそう。宇宙で成功した人たちや企業は、自分たちの目標を大きな軍事的目的に結びつけてきた。これが宇宙競争に勝つための一番の方法だよ。軍に、あなたがやりたいことをやる必要があるって理解させることだね。

30Kから50KのK？うーん、範囲が何を表してるのかよくわからないね。調査して、その値が最大と最小だったのかな？それとも、そこを正確に測るのが難しいから不確実性の範囲なのかも。あと、「ボイジャー宇宙船」ってタイトルの曖昧さが嫌だな。一体どっちのことを指してるのか、はっきりしないし。

└

小文字のkはキロを指して、大文字のKはケルビンね。TFAが提供したリンクをざっと見たけど、その数値の出所は見つからなかった。希少な宇宙プラズマが衝撃波の近くにあると、温度がはっきりしない非熱的分布になるのが普通だよね。NASAからのちゃんとした記事がない限り、あまり興奮することじゃないと思うよ。

└

記事の最初の段落：「1977年、NASAは太陽系の端と星間媒質を研究するためにボイジャー探査機を打ち上げました。一つずつ、彼らは私たちのホームシステムの境界にある「火の壁」にぶつかり、通過する際に30,000から50,000ケルビン（54,000から90,000度ファーレンハイト）の温度を測定しました。」

測定されている粒子の速度って、何か関連性があるのかな？太陽から離れて流れているとか？はっきりした「温度」を持つものは、平均速度がゼロのランダムに動く粒子で構成されていると思うんだけど。粒子の速度分布にも興味があるな。コリメートされた中性子ビームって、温度を持つと考えられるのかな？それに、平均自由行程の長さってどのくらいなんだろう。かなり大きいんじゃないかな。だから、T^4ボルツマン放射法則はこの約40,000ケルビンの温度にはあまり当てはまらないのかな？それとも、真空の放射率がすごく低いのかも？考えたことなかったな。