SELENESELENE（かぐや）による高精度測月（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

* iwata.takahiro@jaxa.jp

「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

月周回衛星「かぐや」（ SELENE ）のミッション

◇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 ）

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

15 のミッション主な目的 　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

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

重力の分布VRAD ：相対 VLBI 用衛星電波源RSAT ：リレー衛星中継器

広報 HDTV ：ハイビジョンカメラ

ミッションプロファイル：月への道のり

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

12. 観測　　（１年間）

軌道傾斜角i=90deg

4. 太陽捕捉

3.H-IIA　第２段分離

地球

2. 月遷移　軌道投入

1. 打上げ

5. 太陽電池パドル展開

9. ミッドコースマヌーバ１

10. ミッドコース　　マヌーバ２

観測軌道100×100km

Rstar 軌道100×2400km Rstar

Vstar

Vstar 軌道100×800km

H-IIA ロケットでの打上げ　　 9 月 14 日 10:31:01

月に到着10 月 3 日頃

月遷移軌道→ 地球を２周回るフェージング軌道

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

6. 恒星捕捉7. 高利得ｱﾝﾃﾅ展開8. 通信リンク確立

2 ｳｪｲRARR

地球地球局

Apollo, CLEMENTINELunar Prospector, etc.

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

高次側は Kaula (1966) の拘束条件を仮定

Lunar Prospector までの月重力場計測の制約

| s{Cnm, Snm}| = [ {C2nm + S2

nm}]1/2

= 35.7 x 10-5 n-2

m=0

N

← ∝ n-2摂動方向

・実際の重力場

Sugano (2004)

縁辺部・観測される重力場

LP165P

ImbriumSerenitatis

Crisium

NectarisHumorum Orientale

月重力場地図：表（左）と裏（右）のリアリティ比較

■表側のmascon、　○裏側のmascon候補

(Konopliv et al. 2001 よりSugano 2004 が改変 )

表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　裏

→裏側の重力場地図は疑わしい

Rstar

2 ｳｪｲRARR

+4 ｳｪｲ

ﾄﾞﾌﾟﾗ

4 ｳｪｲﾄﾞﾌﾟﾗ

主衛星（月裏側）

地球

2-wayRARR

JAXA 臼田局 (UDSC)

RSAT ：リレー衛星による月裏側 4way ドプラ計測

月裏側の重力場の直接観測

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。

改善

JAXA 臼田局 (UDSC)

VLBI 局 ( 天文台 VERA ４局 , 上海 , 烏魯木斉 , 豪 Hobart, 独 Wetzel)

相対 VLBI

地球

月

RstarVstar

VRAD ：衛星電波源の多周波相対 VLBI 観測

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

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 石垣島局VERA 水沢局 VERA 小笠原局

・実際の重力場

Sugano (2004)

縁辺部

改善

・観測される重力場

位相遅延→ 2π （ 1 波長）を超えると不確定性が解けない

電波源

多周波を用いた位相遅延決定の概念

欠測

２ π２ π

２ π

２ π２π

より波長の長い観測電波と、合成周波数から決定する

電波源

VRAD周波数・ 2212 MHz・ 2218 MHz 6 MHz・ 2287 MHz 75 MHz・ 8456 MHz

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 < (2 / ) fi 　 where = 10 deg

Matsumoto et al. (2006)

●2-way RARR 　● 4-way Doppler表裏

SELENE による月重力場の改善

RSAT のカバレッジ

重力場係数の改善

SELENE

LP

selenoid （等重力 potential 面）高誤差の改善

Mascon の影響

重力 / 地形振幅比

←Konopliv et al. (1998)

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

↑Ojima et al. (1999)

重力異常の波長依存性

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？低次：コアの物理 制約：裏側データの欠如

地形と重力異常との対応

Schiller-Zucchius (Compensated)

Schickard (Uncompensated) Mee (Uncompensated)

Moho

Asthenosphere （岩流圏）

Lithosphere （岩石圏）LongShort

BouguerFree Air

Uncompensated

Compensated(Isostasy)

←高度補正＋ブーゲー補正←高度補正

　　　　　　←地形

Sugano (2004)

Topography [km] Free Air [mgal] Bouguer [mgal]

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

地殻均衡のスケール→ lithosphere の厚みに制約

マスコン（ anomaly mass concentration ）の起源

←Mare Orientale （東の海）：　重力場と地形画像との比較（青島 1999 ）

Nectaris Basin ; d = 860 km (Mascon)

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 ）

Rupes Altai : multi-ring structure (uncompensated)

Sugano (2004)

月の慣性モーメント？ 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

cf. 地球 = 0.33 、火星 = 0.365

重力場の２次の係数に依存：

C / MR2 = 4 C22 ／ γI / 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）

C / MR2 = 0.4 ; 一様球

< 0.4 ; コア

月重力場計測とコア密度の推定

Io

C/MR2=0.3770

Fe/FeS

Si

Callisto

C/MR2=0.406→0.3537 ?mixture

比較：

Moon

C/MR2=0.3932

size ?density ?

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

月の強制秤動の振幅は地球の強制章動の 10倍

↓

~10”

月の強制秤動とラブ数

~100”→内部構造を表す

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）k2 > ~0.10 → 流体核

　地球： 0.3　火星： 0.06-0.15 ?

2005 　　　 2010 　　　 2015 　　　2020 　　　 2025

月惑星開発技術

小惑星への到達

太陽と月の精査

木星型惑星探査の開始と地球型惑星の探査

太陽系辺境探査と地球型惑星の精査 「生命を育む環境

の解明」への発展

月面詳細地図

着陸技術習得

月面地質探査

表面探査技術習得

月面開発活動への展開の判断

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

本格的インフラ技術の蓄積

本格的月開発への展開の判断

太陽系探査

「人類の活動範囲の拡大」への発展

国際月有人活動

SELENE SELENE-2

月惑星開発技術と太陽系探査のフロー

ILOM 計画　　　　　　　 LLFAST 計画

月面天文台