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月周回衛星「かぐや(SELENE)」による月の裏側の重力場の直接観測について

2007年11月12日
宇宙航空研究開発機構

 宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、高度約100kmの月周回観測軌道に投入した月周回衛星「かぐや(SELENE)」の主衛星と、高度約2400km×100kmの月周回長楕円軌道に投入された「おきな(リレー衛星)」とを用いて、月の裏側の重力場の直接観測(4ウェイドップラー)試験を2007年11月6日(日本時間)に機能確認の一環として実施し、正常に観測ができることを確認しました。月の裏側の重力場の直接観測は世界で初めてのことです。
 なお、臼田宇宙空間観測所で受信したテレメトリデータにより、衛星の状態は正常であることを確認しています。

新しいウィンドウが開きます子衛星を使った月重力場探査(RSAT,VRAD)について詳しくはこちら

参考

上空から地下を探る: 重力場が語る月の地下構造

 地下に高密度の物質があると、そこでの重力はほかのところよりも大きく、月を周回する衛星はそこに引っぱられて加速し、軌道が変化します。このように、衛星の位置や速度の変化を時々刻々と測ることができれば、直接見ることのできない月の地下の構造を推定することができます。
 このような重力のムラ(「重力異常」)の測定は、地球に対しても行われていますし、衛星を使って月に対しても行われていますが、月の裏側では衛星が見えなくなってしまうために、これまで直接測定することはできていませんでした。
 「かぐや」では、月の上空を低高度で周回する主衛星の動きを、少し高い高度で周回する「おきな(リレー衛星)」を使って中継(4ウェイドップラー観測:後述)することで、主衛星が月の裏側に回りこんでいるときにもその動きを逐一測定することができます。これによって世界で初めて、月の裏側の地下の構造を直接推定することができるようになります。月の表側と裏側とでは表面の構造に大きな違いがあることが知られていますが、地下の構造はどのようになっているのでしょうか。「おきな」を使った月の裏側の地下の構造の測定によって、月が地球に常に表側を向けていることと月の地殻の厚みの分布との関連などが解明されるものと期待されています。

鍵を握るのは子衛星:4ウェイドップラー観測

 主衛星が月の裏側にいて地上から直接観測できない間に、「おきな(リレー衛星)」がJAXA臼田宇宙空間観測所(臼田局:長野県佐久市)からの基準信号を主衛星に中継します。さらに、主衛星から折り返し送信されたこの信号を、「おきな」を経由してJAXA臼田局で受信します。この計測方法は、4つの回線(臼田局→「おきな」→主衛星→「おきな」→臼田局)を通るため、「4ウェイドップラー観測」と呼ばれます。
 このようにすると、臼田局に戻ってきた信号は、主衛星が動いているために元々の周波数からずれています(ドップラーシフト)。したがって、この周波数のずれは、主衛星の軌道の変動を反映し、その結果、月の裏側の重力場の分布を反映することとなります。この手法により、月の裏側の正確な重力場を世界で初めて測定することができます。

月の重力場の測定法

図1 月の重力場の測定法
左:「かぐや」以前の2ウェイ測距・距離変化率計測
右:「かぐや」のリレー衛星中継器(RSAT)による4ウェイドップラー計測

2007年11月12日

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