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～

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～

2022年10月31日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

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）

【発表のポイント】

宇宙空间において、电子がホイッスラーモード波动^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测に成功。
観测结果が非线形成长と呼ばれる効率の良い波动の成长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动が非线形成长しうることを実証。

【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、东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)に搭载された低エネルギー电子计测装置(贵笔滨-顿贰厂)^注4)と电磁场の计测データの解析によって、地球近傍の磁気圏外の宇宙空间(（昼侧）磁気リコネクション近傍、磁気シース领域^注2))で电子がホイッスラーモード波动と呼ばれるプラズマ波动にエネルギーを供给している现场を捉え、电子から波动へのエネルギー输送率を直接计测し波动の成长率を観测に基づいて导出することに成功しました。更に観测结果が非线形成长^注5)と呼ばれる効率的な波动成长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动は、磁気圏で放射线帯の相対论的エネルギー粒子加速に寄与したり、电子を散乱して脉动オーロラの粒子降り込みを引き起こしたりするなど、宇宙空间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动ですが、その効率的な成长が宇宙空间において直接的に捉えられたのは初めてとなり、宇宙空间での粒子加速?散乱、电磁波生成过程の理解を进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。

背景磁场(紫)に沿って波动磁场(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动と、それとすれ违いながら相互作用する电子(赤)のイメージ(颁:东京大学)

【用语解説】

注1）ホイッスラーモード波动と呼ばれるプラズマ波动：
プラズマに特有の波动がプラズマ波动と呼ばれ、今回扱うホイッスラーモード波动はプラズマ波动の中の电磁波に分类される波动の一种。背景の磁场に対して右回り(电子のサイクロトロン运动と同じ向き)をし(図1)、电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动もホイッスラーモード波动の一种である。

注2）（昼侧)磁気リコネクション、磁気シース领域:
磁気リコネクションは宇宙空间において磁场が平行でないときに起きる磁场のつなぎ替わり现象。磁気圏昼侧や磁気圏尾部など宇宙空间のさまざまな领域で発生し、磁场のつなぎ替わりによって磁场のエネルギーが荷电粒子に渡され、粒子加速を引き起こす现象。磁気シース领域は太阳风が磁気圏の全面で减速されて亜音速になっている领域(図2)。昼侧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领域の磁场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)：
约6电子ボルト(别痴)から30キロ电子ボルト(办别痴)のエネルギーを持つ电子を0.03秒という过去に例のない时间分解能(100倍以上)で観测する観测器。各卫星の四方に搭载し、全天全方位をカバーする。

注5）非线形成长：
大振幅の电磁サイクロトロン波动(ホイッスラーモード波动を含む)について、従来の线形理论に比べて効率の良い成长の可能性を示した理论。波动の周波数が时间的に変动していくことや磁场の强度に空间勾配があることが本质的に重要とされている。本研究では惭惭厂卫星が4机编队であるため4点観测で磁场强度の空间勾配を観测可能で、それを用いて仮定は最低限で観测された物理量を使用して理论との整合を示した。

详细（プレスリリース本文）