探査衛星による宇宙・惑星プラズマの直接観測

立教大学理学部物理学科　平 原 聖 文　　

　太陽コロナから常に流れ出している超音速電離ガス流(太陽風プラズマ)や，地球磁場との相互作用に関する理論的研究は，スプートニクの成功や国際地球観測年と頃を同じくして，短期間で多くの論文で発表されました。1960年代前半になり米ソの初期の探査機により太陽風の存在自体が明らかとなりましたが，この時，太陽風に関する理論的予測が極めて正確であることが分かり驚嘆された，というのは有名な話です。これより少し前の1958年に，米国の衛星観測により地球近傍の宇宙空間で放射線帯が発見されましたが，この時期が宇宙・惑星プラズマ研究を大きく進展させる「飛翔体による直接観測」の始まりと言えます。

　宇宙に存在する物質の質量の99%は電離ガスの集合体，つまりプラズマ状態にあると言われています。宇宙空間物理学では，単にプラズマ状態のガスだけを考えるのではなく，電磁場や時には重力場中でのプラズマダイナミクスが重要で，太陽風，地球・惑星の放射線帯，そして電離圏・磁気圏でも磁化プラズマを支配する基本方程式は電磁流体力学によって与えられます。

　我々の研究の独自性は，この宇宙・惑星プラズマを非常に精密に「直接」観測できる点にあります。直接観測とはin-situ observation，つまり「その場」で生の物理量を観測することです。これが可能であるのは，自然現象の現場に，例え大型の人工衛星を送り出しても，観測対象の自然界のスケールに比べれば影響を及ぼさないほど小さな存在でしかないので，観測対象を乱すことなく測定できる為です。この探査衛星による直接観測というのは比較的珍しい手法と言えます。地球観測衛星や天文衛星では，様々な波長(エネルギー)に渡り「光」を測定するリモートセンシング(遠隔探査)が殆どで，そのスペクトルなどを解析することで物理現象を間接的に調べるのが普通です。

　これまで日本が行った宇宙・惑星プラズマの直接観測は，「さきがけ」・「すいせい」による惑星間空間や彗星近傍でのものと，地球電離圏・磁気圏とその近傍でのものがあります。私が最初に携わった「あけぼの」とそれに続く「Geotail」による成果は欧米の探査機のそれに匹敵するばかりでなく，この分野全体の牽引役となってきました。

　図１は太陽風プラズマ(右向きの赤色の矢印)とそれに運ばれる惑星間空間磁場(左端の赤色の直線)と地球磁気圏磁場(緑色の「マグネトポース」内側)の相互作用の模式図です。超音速の流体(太陽風)中に障害物(地球磁場)があることになりますから，地球を遠く取り囲む様に「弓型衝撃波」が生成されます。この衝撃波通過時に太陽風は減速され，流れの方向も地球磁気圏を迂回する様に変わります。無衝突プラズマ中の衝撃波を研究する上で，この領域は天然の実験室として格好の舞台です。プラズマ衝撃波の物理は，昨今の高エネルギー天文学でも重要視され始め，広く理論的・観測的研究が進んでいますが，プラズマダイナミクスを直接観測できる地球・惑星近傍での衛星観測は，唯一無比の研究手段と言えます。

　この様に，磁気圏境界面で太陽風磁場と地球磁場がいったん再結合されてしまうと，太陽風はその磁力線に沿って地球磁気圏の昼間側から夜側の磁気圏尾部へと容易に侵入できる様になります。これは，小川に置かれた小石周辺の水の流れに例えられます。こうして太陽風は磁気圏尾部へ侵入し，そこで再び磁力線再結合を経て「プラズマシート」という熱いプラズマの貯蔵庫に貯め込まれます(図１の赤色線で示された中心部分)。そして，その蓄積エネルギーの解放過程で，地上100kmでは壮麗なオーロラ発光が引き起こされたりします。

　この磁力線再結合が実際に起こっていることを示す直接観測データがGeotailで数多く得られています。図１にある磁気圏前面での再結合はもとより，磁気圏尾部の側面でも頻繁に磁力線の「再・再結合」が起こっている様子がGeotail観測により明らかになってきました。図２はその模式図です。

　磁気圏内の磁力線が２回，惑星間空間磁場とつなぎ変わるならば，その磁力線上には２回の太陽風プラズマの侵入があるはずです。これを実際のGeotailデータで見てみましょう。

　太陽風イオンの殆ど(約96%)は水素イオンであり，これらの水素イオンは太陽風の磁気圏への侵入の結果である考えるのが妥当です。しかし，酸素イオンの存在は，地球大気が驚くべきことに地球・月間の距離の３倍以上遠い宇宙空間にも流れ出ていることを示しています(図１中の短い青色の矢印)。これは誰もが予想もしなかったことです。この様な大気流出機構は，特に火星などの磁場が弱い惑星では惑星大気進化の視点から一層重要になると考えられています。

　直接観測の最大の利点はその場その場でこの様な詳しい速度分布が分かることです。理想的な状況では，再結合した磁力線に沿って磁気圏内に侵入したプラズマは，磁化プラズマ中での音速に対応する「アルフベン速度」の２倍の速度だけ加速されるはずですが，これは図４を詳しく解析することで確認されています。

　以上でご紹介した様な地球近傍の観測だけでなく，より広範囲な惑星間空間や他の惑星の電離圏・磁気圏を直接観測で探査することは，宇宙・惑星プラズマの本質を知る上で今後益々重要になるでしょう。我々は，現在飛翔中の火星探査機「のぞみ」に加え，欧州宇宙機関(ESA)と共同で，30年前に１度だけ探査された水星を直接観測する計画を立案しつつあります。更に，将来は地球型惑星だけでなく，木星型惑星の強大な磁場と惑星自体を構成するガスがどの様に太陽風と相互作用しているかを実際に探査機を送り込むことで探っていきたいと考えています。

(ひらはら・まさふみ)