衛星「あらせ」、明滅するオーロラの起源を解明

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ジオスペース探査衛星「あらせ」が取得したデータから、脈打つように明滅する「脈動オーロラ」の起源について、プラズマ波動「コーラス」に揺さぶられた電子が地球の大気に降り注ぐことで発生するという予想が初めて直接的に裏付けられた。

【2018年2月16日 JAXA

高緯度地方の夜空を覆うオーロラ嵐は、地球の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。典型的なオーロラ嵐では、まず夕方から真夜中にかけてカーテン状の明るいオーロラが現れて爆発的に舞い、その後に朝側で淡く明滅する斑点状のオーロラが現れる。

斑点一つのサイズは数十から数百kmで、数秒から数十秒の周期で明滅(脈動)を繰り返す。この明滅する「脈動オーロラ」は、磁気圏の高エネルギー電子が高度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、過去の地球近傍での観測からわかっていた。しかし、こうした電子の間欠的な降り込みの物理プロセスを観測的にとらえることは非常に困難で、電子の降り込みが磁気圏のどこでどのように起こっているのかは、まだわかっていない。

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のでオーロラは見えない。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とオーロラが見えることになり、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。とくに脈動オーロラの場合は、「コーラス波動」と呼ばれるプラズマ波動の一種が電子の往復運動を破り、大気への降り込みを駆動すると考えられてきたが、その破れの現場はこれまで直接観測できていなかった。

こうした謎の解明を目指し、東京大学の笠原慧さんたちの研究チームは、ジオスペース探査衛星「あらせ(ERG)」によるプラズマ観測と、NASAの磁気圏観測衛星「テミス」プロジェクトの地上全天カメラによるオーロラ観測とが同時に取得したデータの解析を行った。2016年12月に打ち上げられた「あらせ」はジオスペース(地球近傍)におけるプラズマ物理の解明を目的とした衛星で、2017年3月から定常観測を開始している。

観測中の「あらせ」の想像図
観測中の「あらせ」の想像図(提供:ERG science team、以下同)

「あらせ」の定常観測開始から5日後、地上全天カメラがとらえた明滅するオーロラの一つに、その視野中に「あらせ」につながる磁力線の根元があるという幸運な現象が発生した。この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)様子が明瞭にとらえられていた。コーラス波動による「電子の往復運動の破れ」の決定的な証拠を、世界で初めて観測した例だ。

往復運動する電子、大気に降り込む電子、電子の降り込みで発生するオーロラ
脈動オーロラ発生プロセスの概念図。(a)磁気圏内で磁力線に沿って往復運動する電子、(b)コーラス波動の電磁力により往復運動が破られ、磁力線に沿って大気に降り込もうとする電子、(c)降り注ぐ電子で発生するオーロラ。画像クリックで表示拡大

さらに、磁気圏内で「あらせ」がとらえた降り込み電子の変動と、全天カメラがとらえたオーロラ明滅との同期についても、よい相関があることが確認された。コーラス波動の発生 → 波動による電子の揺さぶり、「往復運動の破れ」→ 電子の大気への降り込み → オーロラの発光、という一連のプロセスが間欠的に起こることによって明滅するオーロラが発生するというプロセスが、決定的なものであることを示す成果である。

今後も「あらせ」のデータを解析し、いつどこで電子の降り込みが起こるかを詳細に調べることで、オーロラと宇宙プラズマ物理過程の詳細や多様性の理解が進むと期待される。

研究の解説動画