太陽系諸天体の磁気圏構造を探る

　　　宇宙科学研究所　　齋藤義文

　地球周辺の空間はこれまでにいくつもの観測ロケットや国内外の人工衛星によって調べられてきました。現在も観測を続けている「あけぼの」衛星，「ジオテイル」衛星も地球電離圏，磁気圏を観測する衛星でこれらの衛星で得られたデータから地球周辺のプラズマ環境について様々な新しい結果が得られています。地球が双極子磁場を持った巨大な磁石であることは古くから知られています。太陽からは電子と水素の一価の正イオンを主成分とする(他にヘリウムイオンや鉄イオンなどの重粒子イオンも含まれる)プラズマである太陽風が休みなく流れ出して地球まで到達します。ところが荷電粒子は磁場中ではローレンツ力を受けるため自由に動くことができません。このことは，太陽風が地球周辺の空間に自由に侵入できないということを意味しています。現実には地球磁気圏内には太陽風起源と考えられるイオンと地球起源と考えられるイオンの両方が存在します。では太陽風中のプラズマはどうやって地球磁気圏内に侵入するのでしょうか？　プラズマは磁力線と同時に動くという基本的な性質を持っているため，太陽風のプラズマと一緒に太陽起源の磁場も同時に流れてきます。この太陽風中の磁場が地球の固有磁場と反平行となると磁力線のつなぎ変え(磁気リコネクション)が起こり，もともと太陽風中にあった磁力線と地球の固有磁場の磁力線がつながります。この結果，太陽風中にあったプラズマは磁力圏内に侵入することができます。このような磁力線のつなぎ変えは磁力圏尾部の領域でも起こっており，地球磁気圏尾部の構造を支配しています。「ジオテイル」衛星では磁気圏尾部における磁気リコネクションの間接的な証拠が数多く観測されています。また，プラズマが磁気圏尾部の側面から侵入していると解釈できるデータも得られています。「ジオテイル」衛星で得られた大きな結果の一つに地球磁気圏尾部の地球から遠く離れた場所で地球起源の酸素イオンが観測されているという結果があります。これらの酸素イオンの存在はまた磁気圏尾部の構造やその時間変化に影響を及ぼします。このように「ジオテイル」衛星による観測の結果，地球磁気圏については私たちの疑問に対する答えが次第に得られつつあります。

　太陽系には地球を含めて９つの惑星と，地球の月を初めとするそれらを回る衛星があります。これら太陽系の諸天体の磁気圏を大局的に見た場合，太陽から流れ出す太陽風が諸天体の持つ様々な境界条件のもとで諸天体と相互作用して各々の磁気圏が形成されているということができます。例えば地球には固有の双極子磁場があり，また電気伝導度の高い電離層も存在します。地球磁気圏の構造やそこで起こっている様々な現象にはこの惑星の持つ境界条件が大きな影響を与えていることがこれまでの地球磁気圏の観測でわかってきました。この観点において地球外の他の天体は地球とは異なった境界条件を持っているということができます。これらの地球外の天体で磁気圏の観測を行うことはいわば自然の実験室で実験パラメータを変えてその影響を見ることができるということを意味しています。もちろん各天体固有の特別な条件も同時に存在するため問題が単純化されるとは限りませんが，少なくとも様々な異なった条件下で生起する現象の比較を通じて両者の理解を深めることができるのは確実です。現在私たちの研究室では，我が国初の惑星探査衛星となる「PLANET-B」衛星にプラズマ粒子の観測器を搭載するべく準備を進めています(写真２，３)。

写真２　　　　

　人類が初めて月にその足跡を残してから30年近くが経ちました。これまでにも述べたことですが，磁気圏という観点で見た場合太陽系の諸天体は各々異なった境界条件を持っています。月の場合は固有の磁場もありませんし，大気も薄いものしかありません。太陽風は月表面に直接到達し，吸収されてしまいます。このため，月の太陽と反対側には，プラズマの密度の低い領域ができ，その領域と太陽風の流れの間には乱流領域の存在することが期待されます。そこは乱流状態のプラズマを研究する格好の実験室であるということができます。また，月表面に到達した太陽風は，月表面の物質を周辺空間に叩き出します(スパッタリング)。叩き出された物質は，太陽紫外線によって一定の割合で電離されてイオンとなります。先に磁力線はプラズマと一緒に動くと述べましたが電離されたイオンは太陽風のプラズマと一緒に月を通り過ぎる磁力線の影響を受け加速されます。この加速された粒子のエネルギーと質量を高い分解能で測定することができれば月の表面についての情報が月周回軌道上から得られることになります。このために必要となるイオンのエネルギー質量分析器には水素，酸素，窒素などのイオンはもちろん，ナトリウム，カリウム，アルミニウム，カルシウム，マグネシウム，鉄などの重イオンの質量を分解できるだけの性能が要求されます。現在私たちの研究室では月周回衛星に搭載を目指してここで述べたような高い質量分解能を持つエネルギー質量分析器を開発しています。また，月にはところどころ表面磁場の強い場所が存在します。電子は磁場の周りを回転しながら運動しますが磁場の弱い領域から強い領域にはいると磁場に跳ね返されるという性質を持っています(磁気ミラー反射)。この性質を用いると月周回軌道上で電子の三次元分布を測定することによって月表面の磁気異常の観測をすることができるということになります。このための電子エネルギーの分析器も併せて開発を行っているところです。このようにプラズマの観測は天体周辺の宇宙空間の観測にとどまらず固体の天体にまでその観測，研究対象を広げつつあります。

(さいとう・よしふみ)