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ILOM ~月の回転変動を測る~


ILOM計画

ILOM(In-situ Lunar Orientation Measurements、月面での月の回転変動の観測)は、月面に設置される小型望遠鏡で星の位置を観測し、月の自転軸の方向と自転速度の変化(これらをまとめて月の回転変動といいます)を求め、月の内部構造を調べようとする計画です。月の回転変動を1ミリ秒角(1秒角の1/1000)以下の精度で1年以上観測することによって、月の中心はどうなっているか、とくに、溶けた核があるか無いかを明らかにすることがおもな目的です。

現在想定している望遠鏡は、PZT(写真天頂筒)という地球の緯度変化の観測で実績のある望遠鏡で、大きさは、口径10cm、焦点距離1mです。1ピクセルが5μm×5μmのCCDを用いる場合に、1ミリ秒角は望遠鏡の焦点面で5nmに相当するので、1ピクセルの1/1000の精度で星像の位置を測定する必要があります。また、その分解能を達成するためには、12等級以下の星を約40秒以上観測する必要があります。

ILOMで何を調べるか

月の中心部がどうなっているか、地球と同じように、鉄を主成分とする中心核があるかどうか、またそれが溶けているかどうか等、中心核の大きさ、状態等はいまだ多くの不確定性が残されています。中心核の状態を調べることは、月の起源を明らかにする重要な情報を得ることにつながります。

中心核の情報を調べる有力な方法の一つは、月の回転を調べることです。中心核があるか無いかによって、また、それが溶けているか否かによって回転の仕方が微妙に違います。ただし、月の中心核は、地球の中心核にくらべてずっと小さいと考えられているので、その回転に及ぼす影響も小さく、自転軸の傾きにして数ミリ秒角から数10ミリ秒角と見積もられています。したがって、これらの現象を捉えるためには1ミリ秒角以上の非常に高精度の観測が必要です。

望遠鏡の開発

PZT(写真天頂筒)は、対物レンズの焦点距離の半分のところに水銀面を置き、水平の反射面として利用します。それによって、望遠鏡自体が傾いても、水銀面は常に水平を保っているので、同じ方向から来る星の光は、対物レンズの同じ場所に像を結ぶようになります。したがって、対物レンズに固定されたCCDに記録される像の位置は変化しません。

もっとも重要な技術的な課題は、温度変化が大きい月面環境でも影響を受けにくい望遠鏡を開発することです。国立天文台のJASMINE検討室と共同で開発を進め、現在の状況は、対物レンズの色消しレンズとして、従来の線膨張係数の大きい材質のレンズの代わりに、線膨張係数の小さい石英の回折レンズを用いることと、多数の星像の位置を統計的に処理して、温度変化による星像分布の変化と月回転によるそれとを分離することによって、解決できる見通しを得たところです。ダストに覆われた真空の月面上で鏡筒の姿勢を長期間鉛直に保つこと、水平面の基準となる水銀面を長期間安定に保つことも重要な課題です。姿勢制御装置については、岩手大学と共同で開発を進め、試作機を作成し、PZTの傾斜補償範囲内の0.006度(約20秒角)以下の誤差で鉛直を保持でき、熱真空試験でも正常に動作することを確認しました。水銀皿については、いろいろな材質、いろいろな形の水銀皿を試作し、振動や傾斜を与えたときの水銀面の歪みの程度を干渉計で測定しながら、最適な水銀皿を開発しています。

これらの基礎開発の後に、地上観測用のPZTを完成させ、地球上で位置天文観測を行い、望遠鏡の総合的な性能を評価します。