太陽系惑星空間には大小さまざまな小惑星が存在します。その中には、地球に接近して衝突する可能性があるものが、観測されているだけでも2万個以上あり、小惑星衝突を予測して回避するための観測や宇宙での実験も始まっています。地球接近小惑星の観測をはじめとする宇宙環境の研究に従事し、現在はその経験を生かして、理科教育の教材開発や教員育成に取り組む高橋典嗣教授の研究をご紹介します。

研究の背景

宇宙環境と理科教育が研究の二本柱

私は元々、太陽の外層大気である太陽コロナや、太陽風の勢力圏である太陽圏の研究を専門にしていました。太陽系惑星空間に太陽が与える影響について研究していく中で、関心を持つようになったのが、太陽と同じように地球環境に影響を及ぼす小惑星衝突の問題です。「小惑星が地球に衝突する」なんて映画の中の話だと思われるかもしれませんが、そもそも地球を含む太陽系はガスや塵が衝突してできあがったわけですから、地球に小惑星が衝突するのは当たり前のこと。もちろん太陽系が生まれたころほど頻繁ではありませんが、現在も衝突が起こる可能性はあります。そこで、地球に接近する小惑星を観測して衝突の危険を予測する「スペースガード」の研究に20年ほど前から携わっています。

また、太陽コロナの研究中は、皆既日食の観測に合わせて世界中から日本の学校に向けて遠隔授業を行い、スペースガード探偵団など科学体験活動を通じた教育活動にも取り組んできました。研究者として、いかに科学の素晴らしさを学校教育の中で伝えるかを考え、実践してきた経験を生かして、大学では理科教育の指導や研究に注力しています。

研究について

宇宙の小惑星から地球を守るスペースガード

突然ですが、恐竜がなぜ絶滅したか、みなさんはご存知でしょうか？少し前までは火山の噴火説が有力だったのですが、ここ40年の研究で、小惑星衝突とその後の気候変動が原因であることが明らかになっています。

1980年、イタリア・アペニン山脈のグッピオで、恐竜が絶滅した6550万年前の石灰岩層の中にある厚さ１cmほどの粘土層から、イリジウムや衝撃石英が発見されました。2つの物質の存在は、その時期に宇宙から小惑星が落下したことを示唆するものです。それを検証するため、世界中の科学者は調査研究を行いました。その結果、メキシコのユカタン半島には、直径200kmほどの大きなクレーターが半島の先端部から海中にかけて存在しており、これが直径10㎞の小惑星の衝突によって形成されたものであると明らかになりました。そして、衝突に伴う衝撃波や巨大津波、さらに大量の塵によって起こった寒冷化などの気候変動が、恐竜をはじめ多くの生物を絶滅させたことがわかったのです。

小惑星の衝突は、地球の環境を大きく変え、地球上の生命を絶滅させる可能性がある。それが明白になったことで始まったのが、宇宙の小惑星から地球を守る「スペースガード」のための観測です。 スペースガードの観測では、小惑星を発見してその軌道を決定し、地球の軌道に接近する「地球接近小惑星」を探していきます。軌道の決定には、発見した小惑星を国際協力によって追跡観測する必要があります。そのため、各国に小惑星観測を目的とした天文台が作られました。日本も1999年に岡山県の美星スペースガードセンターを開設し、観測をスタートさせています。私は2007年から約8年間、この天文台で観測を行う日本スペースガード協会の理事長を務め、1年間に800個ほどの新天体の発見と小惑星の軌道決定の観測・研究に携わってきました。

「天体を動かす」プラネタリーディフェンス

1990年代以降、観測によって多くの地球接近小惑星が発見されました。恐竜を絶滅させた直径10㎞サイズはもちろん、大都市に落下すると都市圏内が消滅する直径150ｍ規模より大きな小惑星は、軌道の決定がほぼ終わっています。

しかし、今の観測態勢では、発見できる小惑星に限界があります。2013年2月15日、ロシアのチェラビンスク州では、上空28㎞で小惑星が爆発し、細かく粉砕された隕石が70kmにわたって地上に落下しました。隕石は凍ったチェバルクリ湖の湖面に６ｍの穴をあけました。幸い、隕石が人にあたることはなかったのですが、爆発の衝撃波が半径50kmの範囲にある建物の壁や窓ガラスを破壊し、州都のチェラビンスク市内では、約1,500人がけがをする大災害が発生しました。これは、人類史上初めて明確に記録が残る「小惑星衝突による自然災害」となったのですが、この時落下してきた小惑星は直径20ｍほどと小さく、事前に検出することができませんでした。

チェラビンスク隕石をきっかけに、より小さな天体を観測できる大型の観測設備と、衝突を回避する方法を検討する「プラネタリーディフェンス」の取り組みが今、世界に広がっています。

プラネタリーディフェンスの基本的な考え方は、地球接近小惑星を早期に見つけ、接近までの間に小惑星に負荷をかけて軌道を変えるというものです。NASAは2021年11月、プラネタリーディフェンスの実証実験のため、探査機DARTを打ち上げました。2022年秋には、二重小惑星の主星の周りを回る小さな衛星にDARTを衝突させて衛星の公転周期を変え、それが主星の軌道にどう影響を与えるのかを検証する計画です。これまで人類は、「天体を動かす」ことなど、考えてはみてもやろうとしたことはありませんでした。それを初めて実行しようとしているのですから、ずいぶんおもしろい時代になりました。

今後の展望

確実に予測できる天体衝突に備える

天体衝突は、確実に予測できる災害です。巨大地震が何月何日に起こるかは誰にもわかりませんが、「2888年3月18日、直径1.1㎞の小惑星が地球の地上の1万メートル上空を通過する」ことははっきりわかっています。軌道が確定できれば、衝突時刻、衝突場所、衝突で生じるエネルギーを計算し、被害を確実に抑えられる。そこが、天体衝突とほかの自然災害との大きな違いです。

「1,000年に一度」と言われる東日本大震災を経験した日本では、これまでにない長期スパンで起きる大災害のリスクを評価する動きが進んでいます。以前は「杞憂だ」と言われることが多かった小惑星衝突ですが、1,000年単位で考えれば十分起こり得る災害です。また、小惑星衝突は、国の地形や気候にかかわらず、地球上すべての国に共通するリスクでもあります。今後、その重要性を国際的に共有し、連携して取り組みを進めていくことが必要です。

衝突から地球や人類を守るには、観測、軌道決定、落下地点と落下時刻の算出、被害予測に基づくハザードマップの作成までをタイムリーに行う、スペースガードシステムの構築が重要です。そのために、今以上に多くの小惑星をキャッチできる口径3メートル級の大型スペースガード望遠鏡の設置、宇宙ステーションなど地球軌道上での観測、さらに月面に天文台をつくることを提案しています。また、それと同時にプラネタリーディフェンスのミッションを計画するチームの創設も求められます。観測データや研究成果を用いながら、その必要性を働きかけていきたいと考えています。

教育

学生のアイデアを学会レベルに

現在は、教育学部の教員として、理科教育に研究の軸足を置いています。主に指導している理科コースの学生は、歴代みんなとても意欲的でノリが良く、日々楽しい研究生活を送っているところです。 担当する宇宙地球科学教育研究室では、ゼミ生に教材開発などのアイデアを出してもらい、それを学会発表のレベルに引き上げる手伝いをすることが自分の役割だと考えています。数年前には、ある学生のアイデアをもとに「児童に感動を与える教材開発」の研究に学生と共同で取り組みました。地学関係の模型やレプリカが数多くある東京ディズニーシーで現地調査を行い、児童に感動を与える30項目の感動因子について分析しました。その結果、三大感動因子として「大きさ」「精密さ」「本物らしさ」を統計的に導き出し、三大因子に特化した感動を与える教材の製作に、学生が卒業研究として取り組みました。その中の一つがティラノサウルスの骨格標本模型と実物大頭骨模型です。さらに、これらの感動教材を実際に小学校の授業で使って学習効果の検証も行い、教材開発の標準化に役立つ知見を発表することができました。

こうした理科教育の研究は、私が以前行ってきたアカデミックな研究とは異なりますが、これまでの自分の経験や知識を生かし、これからの学校教育を担う学生を育てることに新しい楽しさと魅力を感じています。

子どもが能動的に学ぶ教材開発を

私の専門である天体に関する教育は、実際に星を観測するには授業外の夜間に時間を設けるしかなく、学校の先生方にとっては取り組みにくい領域です。また、星空観察会やプラネタリウムを見る機会を作ったとしても、望遠鏡をのぞくだけ、プラネタリウムを見るだけの受け身の学びでは、NASAが撮影した木星の写真を見るのとあまり変わりがないように思えます。 こどもたちが宇宙や天体を理解するためには、方位概念、空間概念、視点移動概念を養うことが重要です。受け身の学びではなく、こどもが自分で手を動かして月の満ち欠けを再現する観察箱を作ったり、自身でプラネタリウムの解説を行ったりして、能動的に学ぶことがそうした概念の発達に結びつくのではないかと考え、実証を検討しているところです。

過去に指導したある学生は、卒業研究で四畳半ほどのスペースでも見られるコンパクトなプラネタリウムのシステムを開発し、教員になった今もその経験をこどもたちの指導に活用しているそうです。今の学校の先生はとても多忙で、時間がかかる教材開発はなかなか難しいと思うのですが、学生のうちに理科のスペシャリストとして必要な教材研究や指導を体験し、その素地を身につけて現場で生かせる教員になってほしいと願っています。

人となり

原点は星が見えない東京の空

小学校4年生の時、理科の授業の一環で星座観察会がありました。当時住んでいた東京都大田区六郷は工業地帯ですから、空は工場から立ち上る煙でかすみ、明るい星がほんの少し見えるだけでした。「もっと星を見たい」という思いから宇宙や天体への興味が膨らみ、中学では天文クラブを作り、高校は天の川が見えるような山奥の学校に進学しました。そこで天文台をつくって観測に明け暮れるうちに、自然に星の研究をする研究者を志すようになったのです。

人類の歴史を変えたシレンテの小惑星衝突

宇宙科学の研究では、世界中のさまざまな場所に足を運び、現地調査を行いました。中でも忘れられないのが、イタリアのシレンテクレーターの調査です。

ローマの東に位置するシレンテ平原には、小惑星の衝突でできた直径140ｍのクレーターがあります。その調査に訪れた時、たまたま近くのセチナロ村のパーティーに招かれ、村長さんに村の教会に残る言い伝えの話を聞きました。「空から光が降ってきて大地が揺れ、キリストを抱いたマリアが現れた」というその言い伝えが記録された時期は、紀元2～5世紀。これはシレンテクレーターが形成された年代と一致しています。

そのことが気になり、帰国してからも文献を調べていたのですが、そのうちに面白いことがわかってきました。

ローマ帝国の皇帝の一人であるコンスタンティヌス大帝は、混乱していた帝国を再統一し、初めてキリスト教を公認した皇帝として知られています。312年、コンスタンティヌス大帝はミルウィウス橋の戦いという大きな戦いに勝利するのですが、この戦いでコンスタンティヌス大帝は「空に現れた十字架」を見て劣勢を跳ね返し、その体験がキリスト教を公認して自らも改宗する動機になったと言われています。隕石が落下する時、その軌跡には必ず雲が発生します。実は、コンスタンティヌス大帝が見た十字架がシレンテに小惑星が落下する時の雲だとすると、いろいろと辻褄があうのです。また、コンスタンティヌス大帝は、330年にコンスタンチノープル（現在のイスタンブール）に新たな都を建設しますが、その方向はシレンテに隕石が落ちてきた方向と重なっています。 偶然行った村で聞いた話が、世界史の教科書に出てくるような出来事につながったことは、本当に驚きました。シレンテの小惑星衝突が人類史に大きな影響を与えたのかもしれないと考えると、なんだか感動してしまいますね。

―読者へのメッセージ―

太陽と地球がある銀河系には1,000億個の星々が輝いています。今回、小惑星衝突を予測して回避するお話をしましたが、仮に地球の生物が小惑星衝突で突然いなくなってしまっても、宇宙全体にとっては小さな出来事に過ぎません。私たち人間の存在は本当にちっぽけです。しかし、そのちっぽけな人類が、宇宙がいつ生まれ、どんな風に現在の形になったのかを解き明かすことができる素晴らしい科学技術を持っている。これもまた、紛れもない事実です。 ちっぽけだけど素晴らしい私たち人類の力。それを、これからの地球、宇宙、そして楽しい社会づくりに役立てていきたいですね。

取材日：2022年3月