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水素イオンからヘリウムイオンへ、電磁波を介したエネルギーの輸送

平成30年9月7日

国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
東京大学大学院理学系研究科
名古屋大学
東北大学

地球周辺の宇宙空間において、人工衛星に障害を与えるほどの高エネルギーをどのようにして荷電粒子が獲得するのか。人工衛星による観測と新しいデータ解析手法によって、その過程の理解が進んでいます。北村成寿氏(東京大学)率いる国際研究チームは、MMS(Magnetospheric Multiscale)衛星編隊からのデータを解析し、粒子の密度が低い、地球周辺の宇宙空間において、粒子から電磁波、電磁波から異なる種類の粒子へとエネルギーが輸送されている過程を検出することに成功しました。

この研究成果はアメリカの科学誌「Science」に掲載されました。

本研究で捉えた水素イオンと電磁波、電磁波とヘリウムイオンとの相互作用を示すイメージ
Credit: 東京大学

オーロラをごらんになったことはあるでしょうか。オーロラは、地球磁気圏(注1)とそこに分布している荷電粒子(注2)、太陽風として運ばれてくる荷電粒子や磁場が相互作用し、高エネルギーの荷電粒子が地球の高層大気に降り込むことで発生します。オーロラを引き起こす高エネルギー粒子は、地球磁気圏の中で低エネルギーの粒子がエネルギーを得たものと考えられています。このとき粒子は、粒子同士の直接の相互作用ではなく、電磁相互作用によってエネルギーを獲得します。

私たちの身の回りでは、分子や原子同士は、衝突することによって、熱や運動といったエネルギーがやりとりされます。一方、大気圏の外では物質の密度が低く、粒子同士はめったにぶつかりません。ぶつかることなく、エネルギーがやりとりされるのは、電磁波が関係しています。これは、例えば船の航行によって発生する波が近くの他の船を揺さぶるようなものです。船同士はぶつかっていませんが、波を介して他の船が揺さぶられるからです。船の場合は水の波を介してある船が別の船に影響を及ぼしますが、宇宙空間の場合は電磁波がその役割を担います。

研究をリードした北村氏は言います。「地球周辺の宇宙空間は天然のプラズマ実験室といえます。我々は、地球周辺の宇宙空間で電磁波と荷電粒子の相互作用によって、粒子同士が衝突することなく、エネルギーが輸送されているというデータを得ることに成功しました。」

MMS衛星編隊は、NASAが2015年に打ち上げました。同じ衛星、4機からなる編隊で、様々な計測器が搭載されています。その中には、齋藤義文氏(JAXA宇宙科学研究所)がリードし、国内メーカーが製作したデュアルーイオンエネルギー分析器も搭載されています。

本研究で、研究チームはこれらの観測器のデータを解析し、水素イオンからヘリウムイオンへとエネルギーが運ばれる現象を捉えることに成功しました。データを調べると、水素イオンの一部が特徴的な運動をしていて、電磁波にエネルギーを渡していることが分かりました。一方、ヘリウムイオンを調べると、電磁波からエネルギーを受け取っている特徴的な運動をしていることが分かりました。この現象を検出できたのは、従来の観測装置よりも20倍も時間分解能(0.15秒ごとにデータを取得)が高いセンサーで観測したおかげです。さらに、研究メンバーによって新しく開発されたデータ解析手法の寄与もありました。

齋藤氏は次のように解説します。「本研究により、電磁波と高エネルギー電子の複雑な相互作用についての理解が進む道筋がついたと思います。人類の活動領域が地上だけでなく地球周辺の宇宙空間まで広がった現在、われわれを取り巻く環境を理解することは、今後、宇宙空間をさらに賢く利用する上でも大切なのです。」

現在、JAXAのジオスペース探査衛星「あらせ」 (注3)も、高エネルギー電子の加速メカニズムや、磁気嵐の発達過程を明らかにしようと地球磁気圏を継続観測しています。本研究で用いた研究手法が、今後の「あらせ」のデータ解析にも応用されることが期待されます。

本成果の一部はJSPS科研費(17H06140, 15H05747, 15H05815, 17K14402, 16H06286, 15H03730)の助成を受けたものです。

発表媒体

米国科学誌「Science」

題目:

Direct Measurements of Two-Way Wave-Particle Energy Transfer in a Collisionless Space Plasma

著者:

北村 成寿(東京大学、投稿時はJAXA宇宙科学研究所)、北原 理弘(東北大学)、
小路 真史、三好 由純(名古屋大学)、 長谷川 洋(JAXA宇宙科学研究所)、
中村 紗都子(京都大学)、 加藤 雄人(東北大学)、 齋藤 義文(JAXA宇宙科学研究所)、
横田 勝一郎(大阪大学), D. J. Gershman(NASAゴダード宇宙飛行センター)、
A. F. Vinas(NASAゴダード宇宙飛行センター、アメリカン大学)、
B. L. Giles, T. E. Moore, W. R. Paterson(NASAゴダード宇宙飛行センター)、
C. J. Pollock(デナリサイエンティフィック)、
C. T. Russell, R. J. Strangeway(カリフォルニア大学ロサンゼルス校)、
S. A. Fuselier(サウスウェスト研究所、テキサス大学サンアントニオ校)、
J. L. Burch(サウスウェスト研究所)
(DOI: 10.1126/science.aap8730)

注1 地球磁気圏:地球周辺の宇宙空間において、地球の固有磁場によって太陽風が直接侵入してこない空間のこと。
注2 荷電粒子:電荷を帯びた粒子のこと。電子やイオンは荷電粒子の例である。
注3 「あらせ」:JAXAが平成2016年12月20日に打上げた地球磁気圏を探査する衛星。地球周囲の放射線帯に存在する高エネルギー粒子が宇宙嵐に伴い増減を繰り返す過程や、宇宙嵐自体がどのように発達するのかを明らかにすることを主な目的としている。

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