＜宇宙科学最前線＞

ＩＳＡＳニュース　2006.5　No.302　

ジオスペース最高エネルギー粒子誕生の謎を追う　
　　　　　　　　　　　　　　放射線帯の研究

名古屋大学太陽地球環境研究所　三 好 由 純　

　地球周辺の宇宙空間は、何もないように見えても、希薄な、しかしエネルギーの高いプラズマ粒子（イオンや電子）が、地球の磁場の中で飛び回っています。このプラズマや磁場に関して、地球からの影響が、そして逆に地球への影響が強く及ぶような宇宙空間を「ジオスペース」と呼びます。このジオスペースの中の、スペースシャトルが飛ぶような高度から気象衛星「ひまわり」がいる静止軌道の間の空間は「内部磁気圏」と呼ばれ、そこには「放射線帯」が存在します。放射線帯は、数百keV（キロ電子ボルト）から数十MeV（メガ電子ボルト）のエネルギーを持つイオン、電子から構成され、ジオスペースで一番エネルギーの高い粒子が集まっています。

図１　（左）放射線帯電子の模式図。 　　　（右）「あけぼの」衛星によって観測された2500keV以上の電子の空間分布。 　　　　　　色で粒子のフラックスを示しています。

放射線帯の発見

激しく変動する放射線帯

図２　「あけぼの」衛星によって観測された、 　　　１９９３年の2500keV以上の放射線帯電子フラックス。横軸にtotal day、 　　　縦軸に地球半径で規格した地球からの距離を示しています。 　　　下段は、磁気嵐の強さを表すDst指数。

　外帯が磁気嵐とともに大きく変化することは、１９６０〜７０年代の研究でも指摘されていましたが、この現象に再び関心が集まるようになったのは１９９０年代のことです。その理由の一つは、１９９０年代に内部磁気圏を探査した米国のＣＲＲＥＳ衛星や「あけぼの」衛星によって、放射線帯が激しく変化している様相が「再発見」されたことです。もう一つの理由は、放射線帯の高エネルギー粒子によって引き起こされる人工衛星の故障が、一般社会にとって大きな問題となってきたためです。

宇宙天気研究と放射線帯

放射線帯再形成のメカニズム
どうやって増えていくのか?

　磁場中の荷電粒子は、磁場の強度と粒子のエネルギーの比が一定になるような性質があります。従って、太陽から吹き付けてきた太陽風のプラズマは、磁気圏に入ってきて地球に近く磁場が強いところに輸送されると、そのエネルギーは増加します。このような加速を、断熱加速と呼びます。しかし、この太陽風起源のプラズマが断熱的に加速されるよりも、放射線帯の粒子は、はるかに高いエネルギーを持っています。そこで、磁気圏の中のどこかに、断熱的ではない（非断熱）加速機構が存在することが考えられてきました。しかし、そのような非断熱的な加速が、磁気圏の「どこで」「どのように」起こっているのかは、いまだに決着のついていない重要な問題です。過去10年間、「外部供給説」と「内部加速説」と呼ばれる二つのメカニズムをめぐって、理論・観測両面から精力的な研究が行われてきています。

外部供給説

内部加速説

　従来、「内部加速」は、理論的には可能でも、実際のプラズマ環境や加速の効率を考えた場合、放射線帯を形成するためには不十分であると思われてきました。しかし、１９９０年代になって、「あけぼの」衛星などによって、このプロセスを引き起こすプラズマ波動や「種粒子」が存在し、背景のプラズマ環境がこの加速過程を促進させる状態になっていることが観測され、「内部加速」が放射線帯粒子の形成に重要な役割を果たしていることが、断片的ながら分かってきました。

赤道面での直接観測の重要性

　実は１９９０年代初頭のＣＲＲＥＳ衛星以降、このような観測能力を持った科学衛星は、磁気圏赤道面には打ち上げられていません。そこで、極軌道衛星の観測データを用いて、位相空間密度を算出する努力が続けられてきました。その結果、「外部供給」を示唆するような位相空間密度のデータが報告される一方、「内部加速」を示すようなデータも数多く報告され、両者の議論は混沌としてきています。また、放射線帯の中でも、地球からの距離や地方時の違い、さらに磁気嵐の違いによっても、二つのプロセスの起こり方が異なっていることも示唆されてきました。しかし、位相空間密度の計測は、磁気圏の赤道面で行わない限りその計測にどうしても不確定性が生じてしまうため、この二つのプロセスについての決定的な理解を得るには至っていません。

第２４太陽活動期に向けて
　――ＥＲＧ計画――

図３　ＥＲＧ衛星の想像図（上）とジオスペースの中での探査領域図（下）

　さらにＥＲＧプロジェクトでは、ＥＲＧ衛星による観測を補強する形で、近年急速に発達してきた地上からのリモートセンシング技術を活かすべく、地上観測もプロジェクトの一部を担っており、ジオスペースを宇宙から、そして地上から同時に探査することを計画しています。また、IT技術の進化に伴って、ジオスペース研究においても、従来のコンピュータでは難しかった大規模な数値シミュレーションが行われるようになっています。ＥＲＧプロジェクトでは、こうしたジオスペースのシミュレーションを行っている研究者も参画して、「衛星による観測」と「地上からのリモートセンシング」を「数値計算」を通じて結合するなど、三者が一体となって、ジオスペースにおける高エネルギー粒子生成過程を理解しようとしています。

　高エネルギー粒子加速の問題は、地球磁気圏だけではなく、惑星磁気圏、天体磁気圏での粒子加速にもつながる普遍的な問題です。遠くの惑星や天体では難しい「加速の現場の直接観測」が唯一可能な領域であるジオスペース。ＥＲＧプロジェクトは、そのジオスペースで、最も高いエネルギーの粒子が生まれている現場を探査し、粒子加速メカニズムを解明することを目指しています。

(みよし・よしずみ)