1973年11月3日、アメリカから 1台の たんさきが うちあげられました。 名前は マリナー10号です。むかった さきは 金星と 水星、 2つの わくせいでした［1］。

1つの たんさきで 2つの わくせいを 見に いくというのは、 それまで だれも やった ことが ありませんでした。 マリナー10号は、500日いじょう かけて 10おくキロメートルいじょうの たびを しました［2］。

1973年11月3日、アメリカから探査機「マリナー10号」が打ち上げられました。目的地は金星と水星、2つの惑星でした［1］。

1回のミッションで2つの惑星を探査するのは、それまでどの探査機もやったことがありませんでした［2］。マリナー10号は500日あまりをかけて、10億キロメートルを超える旅をすることになります。ただし、水星は地球からとても遠いわけではないのに、そこにたどり着くこと自体が、実はとても難しい仕事でした。

水星へ向かう探査機は、なぜ先に金星へ立ち寄るのか。NASAの探査機「マリナー10号」は、1973年11月3日にアメリカから打ち上げられた。目的地は金星と水星の2つの惑星で、1回のミッションで複数の惑星を探査する試みとしては史上初めてのものだった［1］［2］。

では、その旅はどれほどのものだったのか。500日あまり、10億キロメートルを超える旅の末に、マリナー10号は金星と水星をあわせて7,000枚以上の写真を地球に送り届けることになる［2］。太陽に近づくこと自体がなぜ難しいのかは、姉妹記事「水星まで8年かかるのはなぜ」で詳しく扱っているので、この記事では速度と軌道の要点だけに絞って先へ進む。

1974年2月5日、マリナー10号は 金星の すぐ そば (5,768キロメートル)を とおりすぎました。 この とき マリナー10号は、金星の 重力じゅうりょくを かりて むきを かえ、スピードも おとしました［3］。

わくせいの 重力じゅうりょくを りようして、 べつの わくせいへ すすむ みちすじを かえる わざを、 「じゅうりょくアシスト」と いいます。マリナー10号は、これを じっさいの たびで つかった、せかいで さいしょの たんさきに なりました［3］。

1974年2月5日、マリナー10号は金星のすぐそば(高度5,768キロメートル)を通過しました。このとき探査機は、金星の重力を利用して進む向きを曲げ、同時に速度も落としました［3］。

惑星の重力を借りて軌道を変える技術を「重力アシスト(スイングバイ)」と呼びます。マリナー10号は、この技術を実際の航行に使った世界で最初の探査機になりました［3］。太陽に対する速度はおよそ秒速37キロメートルから秒速32キロメートルまで落ち、探査機が太陽に最も近づく点が、水星の軌道の近くまで下がりました［1］。この技術の基本的な仕組みは、姉妹記事「水星まで8年かかるのはなぜ」で詳しく説明しています。

金星は、水星へ向かう途中の寄り道ではなく、速度を落とすための通過点だった。マリナー10号は1974年2月5日に金星へ最接近し(高度5,768キロメートル)、金星の重力を利用して進路を変えた。その結果、太陽に対する速度はおよそ秒速37キロメートルから秒速32キロメートルまで減速した［1］。これが、探査機による重力アシストの実際の航行での初実用化となった［3］。

惑星の重力を利用して探査機の軌道と速度を変える手法を、重力アシスト(スイングバイ)と呼ぶ。マリナー10号は、これを実際のミッションで用いた世界初の探査機となった［3］。減速したことで、探査機が太陽に最接近する近日点が水星の軌道付近まで下がり、水星への接近が可能になったのである。重力アシストの原理そのものは姉妹記事「水星まで8年かかるのはなぜ」に譲り、ここでは先に進む。

1974年3月29日、マリナー10号は 水星に、たった 700キロメートルほどまで 近づきました。うつった 水星の すがたは、あなだらけの 月に そっくりでした。空気も ほとんど ありませんでした［1］。

そして、だれも よそうして いなかった ことが 1つ 見つかりました。 水星の まわりに、磁石じしゃくのような ちから (じ場)が あったのです。水星は ゆっくり しか まわらない わくせいなので、この ちからは できないはずだと 考えられて いました［4］。この なぞは、いまも かんぜんには とけて いません。

1974年3月29日、マリナー10号は水星にわずか700キロメートルほどまで接近しました(第1回接近)。送られてきた画像に写っていたのは、クレーターだらけの、月によく似た姿でした。大気もほとんど無いことがわかりました［1］。

さらに、当時の科学者たちが予想していなかった発見が1つありました。水星のまわりに、地球のような磁場が存在していたのです。強さは地球の磁場のおよそ1.1%(発見当初、NASAはおよそ60分の1と見積もっていた)とごく弱いものでしたが、これは「水星は小さく、自転もゆっくり(59日)なので、磁場を生む仕組み(ダイナモ)は働かないはずだ」という当時の理論を裏切る結果でした［4］［6］。ある解説記事は、この磁場発見を「マリナー10号のもっとも意外な発見」と呼んでいます［5］。この磁場がなぜ存在するのかは、その後の探査でもまだ完全には解明されていません［4］。

はじめて間近で見た水星は、どんな姿をしていたのか。マリナー10号は1974年3月29日、水星表面から約700キロメートルまで接近し、第1回のフライバイを行った。撮影された表面はクレーターに覆われて月と酷似しており、大気も希薄なヘリウムを主成分とするごく薄いものだと確認された［1］。

ところが、月に似ているだけでは終わらなかった。当時の惑星科学の理論では想定されていなかった発見があったのである。水星に、地球の磁場のおよそ1.1%(NASAは発見当初、およそ60分の1と見積もっていた)という弱いながらも明確な磁場が存在していた［4］［6］。なぜこれが意外だったのか。磁場は一般に、天体内部の金属核が自転にともなって対流する「ダイナモ機構」によって生まれると考えられているが、水星は小さく自転周期も59日ときわめて遅いため、当時はこの仕組みが働くとは考えられていなかった。ある宇宙専門メディアは、この発見を「マリナー10号でもっとも意外な成果」と評している［5］。この磁場が、過去の名残(残留磁化)によるものか、現在も活動中のダイナモによるものかは、後続のMESSENGER探査でも完全には決着していない［4］。

マリナー10号は、たびの あいだ ずっと じゅんちょうだった わけでは ありません。きたいから はがれおちた ペンキの ちいさな かけらを、みちしるべに して いた ほし(カノープス)と まちがえて おいかけてしまう こしょうが、なんども おきました［5］。

むきを ただしく たもつための ガスも、すこしずつ へって いきました。3かいめに 水星に 近づく まえには、 この ガスが たりなく なって、地球との れんらくが とだえかけたのです。ちきゅうの チームが、ぎりぎりの ところで アンテナを つかって もちなおしました［6］。

マリナー10号の旅は、順調ばかりではありませんでした。機体の表面からはがれた小さなペンキのかけらを、方角を確認するための目印の星「カノープス」と誤認して追いかけてしまう故障が、旅のあいだ何度も繰り返されました［5］。

機体の向きを保つためのガスも、しだいに減っていきました。第3回の水星接近の直前には、このガスが不足して機体の姿勢が乱れ、地球との通信が途切れかけるという事態が起きました。地上の運用チームが、追跡アンテナの使用時間を急いで確保し、ぎりぎりのところで立て直したそうです［6］。

マリナー10号のミッションは、順調な航行ばかりではなかった。機体表面から剥離した塗料の小片を、姿勢基準として利用していた恒星カノープスと誤認し、追尾を見失う不具合が、飛行中に繰り返し発生した［5］。

さらに危うかったのは、姿勢制御用のガスの残りである。ガスは次第に消費され、第3回の水星接近を目前に控えた時点で不足して、機体の姿勢が乱れ、地球との通信が途絶えかける事態に陥った。NASAの記録によれば、運用チームは追跡アンテナの割り当てを急遽確保し、まさに間に合うタイミングで機体との交信を回復させたという［6］。

じつは、イタリアの すう学者 ジュゼッペ・コロンボさんは、 金星の よりかたを くふうすれば、その あとの マリナー10号の 軌道きどうを、水星が 太陽の まわりを 1しゅうする 日にちの、ちょうど 2ばいに できることを 見つけて いたのです［6］。

この ことに 気づいて いれば、マリナー10号は 太陽の まわりを 1かい まわる あいだに、水星に また 出会えます。 たとえば、大きい わっかを 1かい まわる あいだに、小さい わっかを ちょうど 2かい まわる ともだちが いたら、 大きい わっかの 人が もどって きた ときには、いつも おなじ ばしょに 小さい わっかの ともだちも いますよね。 マリナー10号と 水星の かんけいも、これと よく にて いました。ただし ほんとうは、わっかの うえでは なく、 だ円の みちすじの うえを まわって います。

こうして マリナー10号は、水星に 3かい 近づいた、 せかいで はじめての たんさきに なりました［6］。 コロンボさんの 話は、姉妹きじ「水星まで8年かかるのはなぜ」で もっと くわしく 読めます。

実は、イタリアの数学者ジュゼッペ・コロンボは、金星でのスイングバイのしかたを工夫すれば、通過後のマリナー10号の軌道周期を、水星が太陽を1周する日数(約88日)のちょうど2倍、約176日にできることを見いだしていました［6］。

この関係を使えば、探査機は太陽を1周するたびに、また水星のそばへ戻ってこられます。この提案どおりに軌道が設計された結果、マリナー10号は水星に3回接近した、史上初めての探査機になりました［6］。コロンボの発見のいきさつは、姉妹記事「水星まで8年かかるのはなぜ」で詳しく紹介しています。

では、故障を抱えた機体が、なぜ同じ水星に3度も戻れたのか。鍵は、イタリア・パドヴァ大学の数学者ジュゼッペ・コロンボの発見にあった。金星でのスイングバイのしかたを調整すれば、通過後にマリナー10号が太陽を周回する軌道の周期を、水星の公転周期(約88日)のちょうど2倍、約176日に設定できるというのである［6］。

探査機が太陽を1周するあいだに、水星はちょうど2周して元の位置へ戻る。そのため、この軌道設計により、探査機は1周するたびに水星の近くへ戻ることができ、マリナー10号は1974年3月・9月、1975年3月と、3回にわたって水星に接近することに成功した。重力アシストを複数回のランデブーに応用した、史上初めての例である［6］。コロンボの発見の経緯そのものは、姉妹記事「水星まで8年かかるのはなぜ」に譲る。

じつは この「176日」という 数字、べつの きじ 「水星の 1日は、なぜ 地球の 176日ぶんも あるのか」で しょうかいした、水星の「1日」の 長さと、ほぼ おなじ 数字です。 ぐうぜんでは ありません。水星が 2かい 太陽の まわりを まわる あいだに 3かい じてんする、という おなじ かんけいから 生まれる 数字だからです。

だから マリナー10号が 水星に 近づくたびに、水星は いつも おなじ 半分だけが 太陽の 光を あびて いました。 その けっか、しゃしんに とれたのは 水星の 表面の 40〜45%ほどだけでした［3］。 のこりの 半分いじょうは、その あと 30年いじょう、 だれも 見た ことが ありませんでした。

実はこの約176日という数字、別の記事「水星の1日は、なぜ地球の176日ぶんもあるのか」で紹介した、水星の「1日」(日の出から次の日の出まで)の長さとほぼ同じ数字です。これは偶然ではありません。水星が太陽を2周するあいだに3回自転する、という同じ関係から生まれる数字だからです。

そのため、マリナー10号が3回目まで水星に近づくたびに、水星はいつも同じ半分だけが太陽の光を浴びている状態でした［6］。結果として、撮影できたのは水星の表面のうち40〜45%ほどにとどまりました［3］。3回も接近を果たしたのと同じ仕組みが、残り半分以上の姿を、その後30年以上も人類の目から隠していたことになります。

ところが、この約176日という数字には、もう1つの顔があった。姉妹記事「水星の1日は、なぜ地球の176日ぶんもあるのか」で扱った、水星の太陽日(日の出から次の日の出までの時間)の長さとほぼ一致するのだ。これは偶然の一致ではない。水星が2回公転する間に3回自転するという3対2の共鳴関係が、水星の太陽日を176日にしている、その同じ関係が、マリナー10号の再会周期にも噛み合っていたのである。

そのため、マリナー10号が3回のフライバイを行うたびに、水星は毎回ほぼ同じ半球だけが太陽に照らされている状態だった［6］。撮影できた範囲は表面の40〜45%にとどまり、2,700枚以上(出典によっては2,800枚以上)の水星の写真を送りながらも、残る半分以上の地形は長らく未知のままとなった［3］［1］。3回の接近を可能にした仕組みそのものが、水星の全貌を隠す仕組みでもあったわけだ。

1975年3月16日、マリナー10号は 3かいめ、水星に 近づきました。 きょりは わずか 327キロメートル、 水星の 北きょくの 上を とおりすぎました［1］。

その 8日ご、むきを ただしく たもつ ガスを つかいはたし、 マリナー10号は 地球との れんらくを おえました［3］。 水星に つぎの たんさきが とどくまでには、それから 33年も かかりました。2008年に「メッセンジャー」が とどき、 2011年には せかいで はじめて 水星を まわる きどうに 入りました［7］。そして その つぎの 年までに、 見えて いなかった 半分も ふくめた 水星ぜんたいの ちずが かんせいしました［7］。 いま は、日本と ヨーロッパの「ベピコロンボ」が、水星に さいごに 近づく ときを むかえて います。

1975年3月16日、マリナー10号は3回目、そして最後の水星接近を行いました。距離はわずか327キロメートル、水星の北極の上空を通過しました［1］。

その8日後、姿勢を保つためのガスを使い果たし、マリナー10号は地球との通信を終えました［3］。次に探査機が水星に近づくまでには、それから33年もの歳月が必要でした。2008年に探査機「メッセンジャー」が到達し、2011年には世界で初めて水星を周回する軌道に入りました［7］。そして翌2012年までに、マリナー10号が撮れなかった半分もふくめた水星全体の地図がようやく完成しました［7］。現在は、日本とヨーロッパが共同で開発した探査機「ベピコロンボ」が、水星への最終接近を迎えています。

3度目の再会は、最後の再会にもなった。マリナー10号は1975年3月16日に3回目のフライバイを行い、北極域上空わずか327キロメートルまで接近した［1］。

しかし、その8日後の3月24日、姿勢制御用のガスを完全に使い果たし、地球との通信は終わった［3］。マリナー10号はいまも太陽を周回する軌道上を漂い続けていると考えられているが、水星には以後33年間、接近する探査機が現れなかった。空白を埋めたのがMESSENGERで、2008年に到達し、2011年3月には世界初となる水星周回軌道への投入に成功した。そして翌2012年までに、マリナー10号が撮影できなかった半球もふくめて水星全体の地図が完成したのである［7］。現在は、ESAとJAXAが共同開発した探査機ベピコロンボが、水星への最終接近段階を迎えている。

マリナー10号が とった 水星の しゃしんは、いまでも インターネットで 見る ことが できます。

おうちの 人と いっしょに できること

• 本ものの 水星の しゃしんを さがして みる。 おうちの 人と いっしょに、「マリナー10号 水星 しゃしん」で さがして みよう。月の しゃしんと ならべて 見ると、 そっくりな ことに おどろくはずです。

マリナー10号が実際に撮影した水星の写真は、いまもインターネットで見ることができます。

今日できること

• NASAの公式サイトを開いてみる。「science.nasa.gov mariner 10」で検索すると、英語のページですが、打ち上げ日や接近日といった年号・数字はそのまま読み取れます。
• 水星とMESSENGERの写真をくらべる。マリナー10号が撮った白黒の写真と、MESSENGERが撮った水星全体の写真をならべて検索してみると、当時見えていなかった半分の姿がよくわかります。

この記事に出てきた「176」という数字は、実は簡単な掛け算で自分でも確かめられる。

手を動かして確かめる

• 176という数字を計算してみる。水星が太陽を1周する日数は約88日。これを2倍すると176になる。この単純な掛け算1つが、1970年代にマリナー10号の3回のランデブーを可能にし、同時に水星の太陽日の長さとも一致していた。
• 一次情報にあたる。NASAの公式サイト(science.nasa.gov)で「Mariner 10」のミッションページを実際に開き、この記事で紹介した日付・数値と照らし合わせてみてほしい。