地球近傍宇宙のコーラス波動と突発発光オーロラの同時観測に成功

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地球近傍の宇宙で発生するコーラス波動と、その波動により引き起こされた突発発光オーロラが、ジオスペース探査衛星「あらせ」と地上から同時にとらえられた。その結果、波動粒子相互作用の発生域の形状変化が、数十ミリ秒単位で非対称に発達することが世界で初めて明らかにされた。

【2019年1月23日 情報通信研究機構JAXA宇宙科学研究所

「ジオスペース」と呼ばれる地球周辺の宇宙空間には、自然現象で生じる放射線が飛び交っており、人工衛星に影響を及ぼしたり宇宙飛行士の被曝という懸念をもたらしたりする。ジオスペースの放射線は、磁力線に沿った電子のらせん運動に伴う電磁波である「電磁波コーラス」と高エネルギー電子とが共鳴する「波動粒子相互作用」と呼ばれる現象で生じることが知られている。

波動粒子相互作用はまた、高エネルギー電子を発生域から地球の大気中へ降下させ、特殊なオーロラを発生させる。さらに、磁力線に沿って大気中に降下した高エネルギー電子は、地球大気組成に変化をもたらすことも示唆されている。

このように、波動粒子相互作用の発生域の詳細を明らかにすることは、宇宙電磁環境や地球大気組成への影響を知る手がかりとなり、盛んに研究され続けている。しかし、発生域の形状変化など、よくわかっていないことも多い。

金沢大学の尾崎光紀さん、名古屋大学宇宙地球環境研究所の三好由純さんたちの国際研究グループは、波動粒子相互作用を探査するJAXAのジオスペース探査衛星「あらせ」と、北半球を中心に構築した地上観測網「PWING(study of dynamical variation of Particles and Waves in the INner magnetosphere using Ground-based network observations)」により、波動粒子相互作用の研究を行っている。両者が協調することで、「あらせ」でコーラス波動の詳細をとらえながら、地上から関連オーロラ現象をとらえることが可能となり、世界で初めて10ミリ秒という高時間分解能での観測が実現した。

「あらせ」とPWING地上観測網の協調観測イメージ
「あらせ」とPWING地上観測網の協調観測イメージ。「あらせ」ではジオスペースでの変化を、PWINGではオーロラ観測を通じた大気の変化を測定し、波動粒子相互作用発生域の空間分布を探る(提供:JAXA)

この協調観測で、2017年3月30日に発生したコーラス波動を「あらせ」がとらえ、そのコーラス波動による波動粒子相互作用が引き起こした数百ミリ秒の突発発光オーロラを「あらせ」から3万km離れた地上で同時にとらえることに世界で初めて成功した。コーラス波動とオーロラの明るさ、形状変化には一致が見られ、突発発光オーロラがコーラス波動に伴う波動粒子相互作用発生域の形状変化を表すディスプレイになることが明らかになった。

「あらせ」によって観測されたコーラス波動と地上から観測されたオーロラ
「あらせ」によって観測されたコーラス波動のパケットと、地上(アラスカ州ガコナ)で観測されたオーロラの変化の様子。コーラス波動の観測とほぼ同時刻にオーロラ発光が観測されており、コーラス波動とオーロラ発光の変動が1秒以下のタイムスケールで一致している(提供:元論文(Ozaki et al., 2019)より改訂、尾崎他、以下同)

突発発光オーロラの南北方向の非対称形状変化
観測された突発発光オーロラの空間分布の時間変化。1ピクセルごとの強度変化は磁力線に沿った電子の時間変化を表し、形状変化は電子が磁力線を横切る方向に空間変化していることを表す

突発発光オーロラを通じた波動粒子相互作用発生域の可視化によって、同領域が地磁気的な南北方向に非対称性を強く示すことが世界で初めて示された。この変化は、磁力線を横切る方向の波動粒子相互作用発生域の形状変化という、これまで知られていなかった現象を明らかにしたものだ。今後、「あらせ」とPWINGの協調による類似の現象の観測と解析により、普遍的な特徴の解明につながることが期待される。