東大,明滅するオーロラの物理プロセスを同定

東京大学の研究グループは,宇宙航空研究開発機構(JAXA)のジオスペース探査衛星あらせ(ERG)の電子・プラズマ波動データを解析し,明滅するオーロラの源たる物理プロセスの同定に成功した(ニュースリリース)。

高緯度地方の夜空を覆うオーロラ嵐は,磁気圏に蓄えられた太陽風のエネルギーが急激に解放されることで生じる。この明滅するオーロラ(脈動オーロラ)は,磁気圏の高エネルギー電子(数十キロエレクトロンボルト)が高度100km付近の上層大気に向けて降ったり止んだりして生じることがわかっている(電子が降り込むと,そのエネルギーで励起された大気の原子・分子が発光する)。

通常,磁気圏内の電子は,磁力線方向に沿った南北運動を繰り返しており,地球の大気に降ってくることはない(オーロラは見えない)。ところが,何らかの理由で往復運動が破れ,電子が地球の大気に到達することがある(オーロラが見える)。

この往復運動を破るメカニズムの違いが,オーロラの多様性を生む。特に脈動オーロラの場合は,「コーラス波動 (chorus waves)」と呼ばれるプラズマ波動の一種が,電磁力で電子の往復運動を破り,大気への降り込みを駆動するものと考えられてきた。しかしながら,そのような「電子の往復運動の破れ」の発生する現場を直接観測することは実現できていなかった。

この問題に挑むため,研究グループは,ジオスペース探査衛星あらせ(ERG)によるプラズマ観測と,米国のTHEMIS地上全天カメラによるオーロラ観測が,同時に実施された事例のデータを解析した。今回着目したイベントは,全天カメラの一つが明滅するオーロラを捉えており,かつ,その視野の中にあらせにつながる磁力線の根元(フットプリント)があった。

このイベントにおけるデータを解析したところ,間欠的に発生するコーラス波動と同期するようにして,降り込み電子も大きく変動する(コーラス波動が強まると,降り込み電子が現れる)様子が明瞭に捉えられた。これは,前述のようなコーラス波動による「電子の往復運動の破れ」の決定的証拠で,世界で初めて観測されたもの。

また,磁気圏内であらせが捉えた降り込み電子の変動と,全天カメラの捉えたオーロラ明滅との同期も期待されるが,実際に,それらの強度の間によい相関があることも確認できた。

このように,(1)コーラス波動の発生 →(2)波動による電子の揺さぶり,「往復運動の破れ」→(3)電子の大気への降り込み →(4)オーロラの発光,という一連のプロセスが間欠的に起きることで,明滅するオーロラが発生していることが決定的になった。

これらの知見は,地球周辺の宇宙環境がどのように変化するかの解明につながるとともに,木星や土星といった他の惑星の磁気圏も含めて,宇宙空間で遍く起きているプラズマ現象の詳細な理解にもつながることが期待されるものだという。

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