2022年 | プレスリリース?研究成果
宇宙空間で電子からプラズマの波へのエネルギー供給を直接捉えた ～効率の良い電磁波動成長の理論を観測で実証～
【本学研究者情報】
〇大学院理学研究科 地球物理学専攻
教授 加藤雄人（かとうゆうと）
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- 宇宙空間において、電子がホイッスラーモード波動注1)にエネルギーを受け渡していることを示す物理量の観測に成功。
- 観測結果が非線形成長と呼ばれる効率の良い波動の成長が起きていることに整合。
- 磁気リコネクション注2)の近傍でも、ホイッスラーモード波動が非線形成長しうることを実証。
【概要】
国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学宇宙地球環境研究所の北村 成寿 特任助教、三好 由純 教授、中村 紗都子 特任助教、小路 真史 特任助教は、東京大学大学院理学系研究科の天野 孝伸 准教授、京都大学生存圏研究所の大村 善治 教授と小嶋 浩嗣 教授、東北大学大学院理学研究科の北原 理弘 助教と加藤 雄人 教授、国立研究開発法人宇宙科学研究所（JAXA）齋藤 義文 教授、大阪大学大学院理学研究科の横田 勝一郎 准教授らを含む国際研究グループと共同で、アメリカ航空宇宙局（NASA）のMagnetospheric Multiscale (MMS)衛星編隊注3)に搭載された低エネルギー電子計測装置(FPI-DES)注4)と電磁場の計測データの解析によって、地球近傍の磁気圏外の宇宙空間(（昼側）磁気リコネクション近傍、磁気シース領域注2))で電子がホイッスラーモード波動と呼ばれるプラズマ波動にエネルギーを供給している現場を捉え、電子から波動へのエネルギー輸送率を直接計測し波動の成長率を観測に基づいて導出することに成功しました。更に観測結果が非線形成長注5)と呼ばれる効率的な波動成長が起きていることと整合していることが分かりました。ホイッスラーモード波動は、磁気圏で放射線帯の相対論的エネルギー粒子加速に寄与したり、電子を散乱して脈動オーロラの粒子降り込みを引き起こしたりするなど、宇宙空間での粒子加速や散乱に重要な役割を果たしていると考えられる波動ですが、その効率的な成長が宇宙空間において直接的に捉えられたのは初めてとなり、宇宙空間での粒子加速?散乱、電磁波生成過程の理解を進展させることが期待されます。
本研究の成果は2022年10月28日18時（日本時間）イギリス科学誌「Nature Communications」に掲載されました。
背景磁場(紫)に沿って波動磁場(水色)が螺旋を描きながら伝搬するホイッスラーモード波動と、それとすれ違いながら相互作用する電子(赤)のイメージ(C:東京大学)
【用語解説】
注1）ホイッスラーモード波動と呼ばれるプラズマ波動：
プラズマに特有の波動がプラズマ波動と呼ばれ、今回扱うホイッスラーモード波動はプラズマ波動の中の電磁波に分類される波動の一種。背景の磁場に対して右回り(電子のサイクロトロン運動と同じ向き)をし(図1)、電子のサイクロトロン周波数より下の周波数のみに存在できるという特徴を持つ。磁気圏内で盛んに研究されているコーラス波動もホイッスラーモード波動の一種である。
注2）（昼側)磁気リコネクション、磁気シース領域:
磁気リコネクションは宇宙空間において磁場が平行でないときに起きる磁場のつなぎ替わり現象。磁気圏昼側や磁気圏尾部など宇宙空間のさまざまな領域で発生し、磁場のつなぎ替わりによって磁場のエネルギーが荷電粒子に渡され、粒子加速を引き起こす現象。磁気シース領域は太陽風が磁気圏の全面で減速されて亜音速になっている領域(図2)。昼側磁気リコネクションは磁気圏と磁気シースの境界においてそれぞれの領域の磁場が平行でないときに起きる(図3)。
注3）Magnetospheric Multiscale(MMS)衛星編隊：
アメリカ航空宇宙局(NASA)が地球の磁気圏で発生する磁気リコネクションの研究を主目的として打ち上げた4機編隊の衛星で、三角錐の形のフォーメーションを組んで観測を行う。今回の研究で使用したデータを取得した時期には約10 km程度の間隔で編隊飛行を行っていた。(https://mms.gsfc.nasa.gov/)
注4）低エネルギー電子計測装置(FPI-DES: Fast Plasma Investigation-Dual Electron Spectrometer)：
約6電子ボルト(eV)から30キロ電子ボルト(keV)のエネルギーを持つ電子を0.03秒という過去に例のない時間分解能(100倍以上)で観測する観測器。各衛星の四方に搭載し、全天全方位をカバーする。
注5）非線形成長：
大振幅の電磁サイクロトロン波動(ホイッスラーモード波動を含む)について、従来の線形理論に比べて効率の良い成長の可能性を示した理論。波動の周波数が時間的に変動していくことや磁場の強度に空間勾配があることが本質的に重要とされている。本研究ではMMS衛星が4機編隊であるため4点観測で磁場強度の空間勾配を観測可能で、それを用いて仮定は最低限で観測された物理量を使用して理論との整合を示した。
問い合わせ先
東北大学大学院理学研究科
助教 北原 理弘（きたはら まさひろ）
TEL：022-795-6518 FAX：022-795-6517
E-mail：masahiro.kitahara*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
東北大学大学院理学研究科
教授 加藤 雄人（かとう ゆうと）
TEL：022-795-6516 FAX：022-795-6517
E-mail：yuto.katoh*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
東北大学大学院理学研究科?理学部 広報?アウトリーチ支援室
TEL：022-795-6708 FAX：022-795-5831
E-mail：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
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