イオの周囲に見られるプラズマトーラスの加熱

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惑星観測用宇宙望遠鏡「ひさき」が、木星の衛星「イオ」の大気から宇宙空間に放出されてプラズマ状態となったガスを観測し、とくにイオの周りでプラズマが非常に高温となっていることを明らかにした。プラズマ加熱のメカニズムを解明する手がかりになると期待される。

【2016年5月16日 東北大学

惑星や衛星の周囲では、分子や原子は電離してプラズマの状態となっている。プラズマの温度は大気に比べてかなり高いが、宇宙空間でどのようにプラズマが加熱されているのかについては、様々なメカニズムが提案されているものの、よくわかっていない。

木星の衛星イオは、太陽系で最も活発な火山活動をもつ天体だ。イオの大気は二酸化硫黄を主成分とする火山性ガスでできており、宇宙空間へ流出して、イオの公転軌道に沿ってプラズマトーラス(ドーナツ状に分布した濃いプラズマ)を形成している。このトーラスを、高温電子がイオンに衝突して発光する極端紫外線で観測すると、電子の加熱機構を研究することができる。

イオの周辺で発生するプラズマ加熱の模式図
イオの周辺で発生するプラズマ加熱の模式図。黄色い線はイオを貫く木星の磁力線を表す(提供:東北大学理学研究科・理学部)

東北大学の土屋史紀さんたちの研究グループは、惑星観測用宇宙望遠鏡「ひさき」を用いてイオ・プラズマトーラスの硫化物イオンの発光を観測し、極端紫外線がイオの下流で強くなることを明らかにした。

トーラスは木星の周りを木星の自転に伴って約10時間周期で回転しているが、イオンの発光の強さはイオの周囲で急上昇しており、プラズマの流れがイオ(公転周期約42時間)を通過した際に高温電子が発生していることを示している。その後、高温電子は周りのイオンに衝突して極端紫外線を放射しエネルギーを失っていくため、発光強度はイオから下流側に離れるにつれて下がっていく。

(左)木星、イオ、イオ・プラズマトーラスを北から見た模式図、(右)プラズマトーラスの硫化物イオンの発光強度の分布
(左)木星、イオ、イオ・プラズマトーラスを北から見た模式図。青はプラズマ、オレンジは高温電子が存在する場所。(右)プラズマトーラスの硫化物イオン(S2-)の発光強度の分布。イオの場所で強度が急上昇し、ゆるやかに減少していく(提供:東北大学 土屋史紀さん)

これまで電子加熱は10日程度かけてゆっくり起こると考えられてきたが、「ひさき」の観測結果は10時間以内の短時間で高温電子が発生することを示しており、イオの周囲で非常に効率の良い加熱機構が働いていることが明らかになった。加熱機構の候補として、電離した直後のイオンから発生する電場・磁場の波のエネルギーが電子を加熱するメカニズムが考えられている。

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