「高精度アストロメトリ観測の時代を迎えた21世紀の天文学」研究会
Sep. 19-20, 2007
SELENE(かぐや)による高精度測月
○岩田隆浩*(JAXA・ISAS)、並木則行(九大理)、
花田英夫、松本晃治、野田寛大(天文台)、
RSAT/VRADミッショングループ
* [email protected]
月周回衛星「かぐや」(SELENE)のミッション
15のミッション
主な目的
◇月の起源と進化の解明のため、
グローバルマッピング観測を行う
◇打上げ:2007年9月14日(H-IIA)
◇主衛星+2機の小型衛星
(Rstar/Vstar)
名称
元素の分布
XRS:蛍光X線分光計
GRS:ガンマ線分光計
鉱物の分布
SP:スペクトルプロファイラ
MI:マルチバンドイメージャ
表層の構造
TC:地形カメラ
LRS:月レーダサウンダ
LALT:レーザ高度計
月の環境
重力の分布
広報
LMAG:磁力計
UPI:プラズマイメージャ
CPS:粒子線計測器
PACE:プラズマ観測器
RS:電波科学観測
VRAD:相対VLBI用衛星電波源
RSAT:リレー衛星中継器
HDTV:ハイビジョンカメラ
多様な観測手法(14観測機器)による全球観測
+ ハイビジョンカメラでの撮像
ミッションプロファイル:月への道のり
Rstar 軌道
100×2400km
月に到着
10月3日頃
Rstar
Vstar
軌道傾斜角
i=90deg
Vstar 軌道
100×800km
観測軌道
100×100km
H-IIAロケットでの打上げ
9月14日 10:31:01
月
12.観測
(1年間)
地球
10.ミッドコース
マヌーバ2
1.打上げ
6.恒星捕捉
7.高利得アンテナ展開
8.通信リンク確立
11.月周回軌道投入
リレー衛星分離
VRAD衛星分離
6回のマヌーバ
月周回軌道投入後に、
リレー衛星(Rstar)と
VRAD衛星(Vstar)が
分離される
10月9日, 12日頃
9. ミッドコースマヌーバ1
2.月遷移
軌道投入
月遷移軌道
→ 地球を2周回るフェージング軌道
3.H-IIA
第2段分離
4.太陽捕捉
5.太陽電池パドル展開
Lunar Prospectorまでの月重力場計測の制約
高次側はKaula (1966)の拘束条件を仮定
N
| s{Cnm, Snm}| = [S {C2nm + S2nm}]1/2
m=0
= 35.7 x 10-5 n-2
2ウェイ
RARR
← ∝ n-2
摂動方向
Apollo, CLEMENTINE
Lunar Prospector, etc.
地球
地球局
・実際の重力場
2ウェイRARR(測距・距離変化率)計測
→軌道の摂動から重力場分布を推定
1)月の表側のみ直接RARR計測
2)地球局の原子標準(水素メーザ)に依存
↓
1)裏側の重力場は表側の軌道から推定、
縁辺部の感度も悪い。
2)測定精度向上に限界
縁辺部
・観測される重力場
Sugano (2004)
月重力場地図:表(左)と裏(右)のリアリティ比較
表
裏
Imbrium
Serenitatis
Crisium
Nectaris
Humorum
Orientale
→裏側の重力場地図は疑わしい
■表側のmascon、 ○裏側のmascon候補
LP165P
(Konopliv et al. 2001より
Sugano 2004が改変)
RSAT:リレー衛星による月裏側4wayドプラ計測
主衛星
Rstar
月裏側の重力場の直接観測
(月裏側)
4ウェイドプラ
2ウェイ
RARR
+
4ウェイ
ドプラ
2-way
RARR
地球
JAXA臼田局(UDSC)
改善
月の裏側を飛行中のSELENE主衛星の
軌道を、Rstar経由で計測する。
↓
月の裏側の低い軌道を初めて直接観測
し 、Kaula (1966)の拘束条件に依らず
重力場を決める。
JAXA臼田局(UDSC)
VRAD:衛星電波源の多周波相対VLBI観測
Rstar
月縁辺部の重力場精度の改善
月重力場の低次項の精度改善
Vstar
月
・実際の重力場
縁辺部
・観測される重力場
相対VLBI
地球
VLBI局(天文台VERA4局,上海,烏魯木斉, 豪Hobart,独Wetzel)
Sugano (2004)
改善
RstarとVstarから発信される電波を多周波
相対VLBI観測する。
↓
RARRより約2桁高精度の位置決定、視線
垂直面方向の改善を行い、重力場の低次項
を改善する。
VERA水沢局
VERA石垣島局 VERA小笠原局
多周波を用いた位相遅延決定の概念
電波源
位相遅延→2π(1波長)を超えると
不確定性が解けない
2π
2π
2π
電波源
欠測
より波長の長い観測電波と、
合成周波数から決定する
VRADの周波数の条件
・電離層補正のため、S帯とX帯を同期させる。
f (X) = (n/m) f (S)
・位相差の不確定性を解くため、S帯に3波、
X帯に1波を配置する。
fi+1 < (2p / df) fi where df = 10 deg
VRAD周波数
・2212 MHz
・2218 MHz
・2287 MHz
・8456 MHz
6 MHz
75 MHz
2π
2
π
SELENEによる月重力場の改善
RSATのカバレッジ
selenoid(等重力potential面)高誤差の改善
裏
表
●2-way RARR ●4-way Doppler
重力場係数の改善
LP
SELENE
Matsumoto et al. (2006)
重力異常の波長依存性
惑星表面地形と重力の関係:補償メカニズム
・Airy isostasy
・Pratt isostasy
・lithosphereの弾力性
・対流するマントルの動圧
→波長への依存性
月の内部構造:
高次:クレータのAiry isostasy
Mascon(玄武岩マグマの過剰質量)
表裏2分性? 制約:裏側データの欠如
低次:コアの物理
Masconの影響
重力/地形振幅比
←Konopliv et al. (1998)
↑Ojima et al. (1999)
地形と重力異常との対応
Schickard (Uncompensated)
Mee (Uncompensated)
Sugano (2004)
Schiller-Zucchius
(Compensated)
Topography [km]
Free Air [mgal]
Uncompensated
Compensated
(Isostasy)
Bouguer
Free Air
Bouguer [mgal]
地殻均衡のスケール
→ lithosphereの厚みに制約
←高度補正+ブーゲー補正
←高度補正
←地形
Moho
Short
Lithosphere(岩石圏)
Asthenosphere(岩流圏)
Long
衝突盆地の進化
・Mare basaltの噴出量
・lithosphereの弾性厚さ
・Mantle plugの上昇量
マスコン(anomaly mass concentration)の起源
Sugano (2004)
Nectaris Basin ; d = 860 km (Mascon)
Rupes Altai : multi-ring structure (uncompensated)
Masconの過剰質量の起源:
・クレータ形成後の高密度マントル物質の貫入
・盆地への溶岩の集積
(Solomon and Head 1979)
←Mare Orientale(東の海):
重力場と地形画像との比較(青島 1999)
月重力場計測とコア密度の推定
比較:
月の慣性モーメント?
C/
MR2
= 0.4 ; 一様球
< 0.4 ; コア
cf. 地球 = 0.33、火星 = 0.365
LLR(レーザ測距)
0.394±0.002
↓
衛星測距(LP75G)
0.3932±0.0002
↓
Fe-richが判明
→Feコアの場合
半径;320+50/-100km
(Konopliv et al. 1998)
↓
VRADで精度改善
重力場の2次の係数に依存:
C / MR2 = 4 C22 /γ
I / MR2 = 4 C22 (3+β+γ-βγ)/3γ(1+β)
力学的扁平率:β= (C-A) / B, γ= (B-A) / C
(A, B, C:主慣性能率)
Callisto
mixture
C/MR2=0.406→0.3537 ?
Fe/FeS
Io
Si
C/MR2=0.3770
Moon
size ?
density ?
C/MR2=0.3932
月の強制秤動とラブ数
C21, S21の時間変動
→Love数 k2 :起潮力に対する変形しやすさ
強制秤動の時間変動(from LLR)
→Q 値:トルク変動によるエネルギー散逸
↓
月震計の観測結果との相違
→部分溶融層境界のエネルギー散逸を示唆
k2 > ~0.10 → 流体核
地球:0.3
火星:0.06-0.15 ?
LLR(Williams et al., 2004 )
0.0227±0.0025
vs.
衛星測距(LP165P;
Konopliv et al., 2001 )
0.026±0.003
↓
VRADで精度改善
(月ephemeris精度:5mが限界)
月の強制秤動の振幅は
地球の強制章動の10倍
↓
~10”
~100”→内部構造を表す
月惑星開発技術と太陽系探査のフロー
2005
2010
小惑星への到達
太陽系探査
太陽と月の精査
2015
木星型惑星探査
の開始と地球型
惑星の探査
月惑星開発技術
月面地質探査
着陸技術習得
表面探査技術習
得
2025
太陽系辺境探査と地球型惑星の
精査
月面開発活動への
展開の判断
月面詳細地図
2020
「生命を育む環境の
解明」への発展
本格的月開発への
展開の判断
極限地域からの自律的サンプル
リターン
月面上広域ネットワーク探査
「人類の活動範囲の
拡大」への発展
本格的インフラ技術の蓄積
SELENE
月面天文台
SELENE-2
国際月有人活動
ILOM計画
LLFAST計画
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