ケプラー
KEPLER / K2

狭く深く、同じ星を見続ける

ケプラーの観測対象は全天ではなく、はくちょう座・こと座方向の一つの広い視野だった。同じ恒星を長期間測ることで、年単位の周期を持つ惑星が何度も通過するのを待つ。惑星の存在を直接撮るのではなく、恒星光の落ち込みを何十万本もの光度曲線から探し、惑星の半径と周期の統計を作ることが目的だった。

地球サイズ惑星の頻度を測る

ケプラー以前にも系外惑星は見つかっていたが、巨大惑星や短周期惑星に偏っていた。ケプラーは、太陽のような恒星のハビタブルゾーンに地球サイズの惑星がどれだけあるのか、という数量的な問いへ踏み込んだ。個別の発見だけでなく、銀河に惑星がどれほどありふれているかを推定する統計観測である。

高精度測光のための宇宙機

広視野望遠鏡、42枚のCCD、熱安定化、精密姿勢制御、地球から離れた太陽周回軌道は、すべて微小な減光を安定して測るために選ばれた。地球周回の昼夜や放射線帯を避け、同じ星野を連続的に見る軌道は、機体設計と同じくらい重要な観測装置だった。

二つの車輪と太陽で、K2へ

4基あったリアクションホイールは2012年7月と2013年5月に1基ずつ失われ、三軸の精密指向ができなくなった。そこで機体の左右へ当たる太陽光圧が釣り合うよう黄道面沿いを向け、残る2基のホイールでピッチとヨー、ヒドラジンスラスターでロールを約12時間ごとに補正した。K2は一つの視野を年単位で見る代わりに、最大約83日のキャンペーンで黄道沿いの領域を次々観測した。

TESSとJWSTへつながる遺産

ケプラーは、惑星が珍しい例外ではなく、銀河に普遍的に存在することを示した。TESSは近く明るい星へ対象を移し、JWSTはその一部の大気を詳しく調べる。ケプラーの最大の成果は、次に調べるべき惑星集団を、偶然ではなく統計で示したことにある。

ケプラーは惑星を直接撮る望遠鏡ではなく、恒星の明るさを極めて安定して測る測光機である。0.95 m級の広視野望遠鏡、42枚のCCD、熱制御、精密姿勢制御、大容量データ処理が、トランジットの数十ppm級の信号を拾うために結びついている。

広視野とぼかした星像

ケプラーの焦点面は約95メガピクセル級で、多数の恒星を同時に測るために作られた。星像を点として鋭く撮るより、安定した測光が重要で、光を複数ピクセルへ分散させて飽和やピクセル感度差の影響を抑える。画像の美しさより、光度曲線の精度を優先した設計である。

姿勢制御と熱安定性

同じ星を何年も見るには、指向方向と焦点面温度が揺れてはいけない。リアクションホイール、細かなスラスター運用、太陽電池パネルの季節ごとの向き、地球追随軌道は、すべて測光の安定性を守る仕組みだった。ホイール故障後のK2では、太陽光圧のトルクを逆に利用して残りの制御能力を延命した。

宇宙機と地上解析の一体設計

ケプラーは全画面を常時そのまま下ろすのではなく、選ばれた星のピクセルを積分・圧縮して地上へ送る。偽陽性を除くには、食連星、星斑、背景星混入を解析し、地上観測で補う必要があった。衛星本体だけでなく、データパイプラインと候補検証がミッションの重要な「搭載機器」だった。

太陽周回軌道と四半期ロール

ケプラーは地球を追いかける太陽周回軌道に置かれ、地球の昼夜や放射線帯を避けて同じ星野を長く見た。太陽電池パネルの向きと熱環境を保つため、約3か月ごとに機体を90度ロールし、焦点面上の星の位置を変えながら観測を続けた。星像が検出器の別領域へ移るため、測光の較正は宇宙機運用と一体で設計されている。

故障後に残った制御資源

リアクションホイール4基のうち2基が使えなくなると、当初の一点注視は成立しなくなった。それでも機体形状、太陽電池面、スラスター、残ったホイールを組み合わせ、太陽光圧を外乱ではなく支えとして使うK2運用が組まれた。これは予備ミッションとして最初から完成していた機能ではないが、単純で安定した宇宙機構成が故障後の再設計余地を残した例である。

通信量を測光へ配分する

ケプラーは美しい全天画像を送り続ける衛星ではなく、選ばれた星の画素時系列を確実に届ける衛星だった。限られた通信量の中で、どの星を、どの画素範囲で、どの時間間隔で保存するかが科学収量を決める。機体設計、観測計画、地上処理の境目が薄いところに、ケプラーらしさがある。