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隕石は定期的に地球の大気圏を突き抜け、壊滅的な影響を及ぼす可能性があります。科学者たちは今、地球に帰還するNASAの宇宙船から発せられた衝撃波を、全長数キロメートルの 光ファイバーを使って 解析したと発表しました。これは、既存の通信用光ファイバーネットワークが、地球に絶えず降り注ぐ自然現象による宇宙からの衝撃波の解明に役立つ可能性を示唆しています。
毎年約10万トンの隕石が極超音速（最大時速約26万2000キロメートル）で地球に落下します。科学者たちは隕石の軌道をより詳細に分析し、それがもたらすリスクについてより深く理解したいと考えていますが、隕石は一般的に予測不可能な性質を持っているため、それは困難です。
大気中で燃える流星体のNASA画像。
光ファイバーケーブルがソリューションを提供
この問題を解決するチャンスは、NASAのオシリス・レックス（OSIRIS-REx）ミッションの帰還によってもたらされました。2016年に打ち上げられたオシリス・レックスは、2020年に小惑星ベンヌに着陸し、採取したサンプルをカプセルに搭載して地球に帰還し、2023年9月24日に米国国防総省ユタ州試験訓練場に無事着陸しました。この帰還のタイミングと軌道が判明したことで、科学者たちは降下中のカプセルを分析するためのセンサーアレイを展開するという稀有な機会を得ました。
新たな研究で、ニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所とコロラド州フォートコリンズの研究者らは、 光ファイバーケーブルを用いて 、空を横切るオシリス・レックス探査機から発せられる音波を検出した。彼らは分散型音響センシングと呼ばれる手法を採用した。この手法は、以前の研究で地震や月震による地震波を検出できることが分かっている。
分散音響センシングとは何ですか?
分散音響センシングは、光ファイバーを通してレーザー光パルスを送信し、光ファイバーの欠陥部から反射された信号の強度を分析します。音波による光ファイバーのわずかな伸縮は、これらの反射信号を変化させる可能性があります。
過去10年間、分散型音響センシングの進歩により、掘削孔におけるニッチな用途を超えて、他の用途にも拡大してきました。「分散型音響センシングは、一般的に土などの固体や海などの液体中を伝わる振動の検出に用いられますが、空気中を伝わる音波の検出にはあまり利用されていません」と、ロスアラモス研究所の物理学者カーリー・ドナヒュー氏は述べています。
オシリス・レックスの帰還に先立ち、科学者たちはネバダ州ユーレカ近郊の2つの探査地点を結ぶ未舗装道路に、全長12キロメートルの光ファイバーケーブルを敷設しました。また、6組の地震計と超低周波音センサーを用いて、分散型音響センサーの精度と信頼性を検証しました。
研究者たちは、2023年に地球に帰還するオシリス・レックス宇宙船を検知しようと、光ファイバーケーブルネットワークの構築に奔走した。写真はエリサ・マクギー撮影。
「この機会を知ったのは到着の5ヶ月前だったので、急いでチームを編成し、計画を立て、必要な機材をすべて揃えなければなりませんでした」とドナヒュー氏は語る。「ネバダ州ユーレカは『アメリカで最も孤独な道にある、最もフレンドリーな町』として知られており、大都市から遠く離れています。そのため、必要な機材はすべて自分たちで用意する必要がありました。」
以前の研究では、光ファイバーを 地中に埋める ことで、分散型音響センサーが風から受けるノイズを低減できることが分かっています。しかし、光ファイバーの大部分は数ヶ月前に注文されていたにもかかわらず、実際に届いたのは実験開始のわずか数日前でした。この限られた時間のため、「地中に埋めるのは現実的ではなく、地上に敷設しました」とドナヒュー氏は言います。
センサーのテストでは「移動中の車両、航空機、そして人からの様々な信号が検出され、これらの背景信号が宇宙カプセルからの信号を完全に覆い隠してしまう可能性があるという懸念が生じた」とドナヒュー氏は述べている。この問題を軽減するため、科学者たちは州警察と連携し、再突入期間中は交通を一時的に停止させた。
「分散音響センサーなどの光ファイバーセンサーで宇宙カプセルの再突入を記録するという試みはこれまで一度もありませんでした。そのため、ニューメキシコ州からネバダ州まで出かけても何も成果が残らないのではないかと非常に不安でした」とドナヒュー氏は語る。「両地点で再突入を検知できただけでなく、ソニックブームが伝播するにつれてどのように変化したかについての洞察を与える豊富なデータセットを記録できたことに、大変興奮しました。」地震計と超低周波音センサーも同様の測定値を記録した。
ドナヒュー氏は、地球の大気圏に突入する物体を分析する将来の分散型音響センシング活動では、既存の通信用光ファイバーか、ソニックブームや地震波を特に測定するように設計された光ファイバーが活用される可能性があると示唆している。
（出典：IEEE Spectrum、Fibermartによる編集・転載）
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