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「磁場で宇宙を観る」という姿勢の確立に向けて

saito_at_D 藤本正樹
JAXA・宇宙科学研究本部(ISAS)
宇宙プラズマ研究系・教授

写真: 藤本教授

なぜ磁場が大事か、あるいは、宇宙プラズマ物理とは

宇宙のことを考える上で磁場の効果が重要である、ということを主張したい。その根拠はどういったものであろうか。宇宙空間は真空ではない。多くの場合、電離したガスで満たされている。電離ガスを構成する荷電粒子(イオンと電子)は磁場を感じて運動する。そして、粒子の運動の結果が磁場の時間発展に影響を及ぼす、という相互作用をする物理システム−宇宙プラズマ−が、実は、宇宙空間を満たしているのである。

近年、宇宙科学の諸分野においてプラズマ効果・磁場効果に関する興味が高まっている。そして、宇宙のことを考える上で磁場は(これまでそうしてきた反省も踏まえて)無視してはいけないものであるという認識が広まりつつある。われわれの研究分野の究極の目的は、この視座を確立すること、「磁場で宇宙を観る」という姿勢が当然のことになるように、いちいち注意しなくては無視されてしまうということのないようにしていくことであると考える。

磁場が生命進化の舞台であった地球表層環境史を規定する上で重要な役割をしていたと言われても、ほとんどの人はピンと来ないだろう。だが、そういう可能性もあるのだ。つまり、そういうことだ。

われわれの研究手法

(1)荷電粒子が電磁場を感じて運動する。(2)その運動の結果、宇宙空間に電流密度の空間分布がつくられる。(3)それが(マクスウエル方程式に書かれているように)電磁場の時間発展に影響する。宇宙プラズマガスにおける相互作用は、この繰り返しである。書き下せるのだから、わかっているように思うかもしれない。簡単なことのように思うかもしれない。誤解である。

どうして難しいのか。ざっくり言えば、(1)ガスを構成する粒子同士が衝突しない「無衝突状態」にあり、地上での経験において通常に期待できる散逸過程がなく、地上の流体力学に関する常識が必ずしも通用しないこと、(2)ガスを構成するイオンと電子の質量比が3桁もあり、それが幅広いスケールにわたるダイナミクスを生み出していること、の二点に集約することができる。逆に言えば、様々なスケールの現象が生み出され、それらがダイナミックに連携するからこそ、宇宙空間ならではの魅力的な現象が駆動されるのである。

このような複雑な系を理解するにはどうしたらよいだろうか。「理解」とは、納得できる形にしていくということである。宇宙プラズマ物理においては、近似レベルをきちんと整理しながら現象の本質を見抜いていくこと、近似(人間の都合)によって宇宙プラズマならではの魅力を色褪せさせることなく、「なるほど、そうなっているのか」と思える形をつくることだろう。このためには、頭デッカチに理論だけに頼るのはあまりに危険であり、観測との両輪でもって進めていく必要がある。そして、宇宙プラズマ現象が起きている「その場」で、飛び回っている荷電粒子そのものと電磁場を観測する観測−磁気圏プラズマ観測−の重要性は、どれだけ強調しても足りない。

新しい地平線

地球磁気圏とは、太陽から吹き出す電離ガスの流れである太陽風が地球の固有磁場とぶつかって形成される、地球周辺のプラズマ・ダイナミクスが支配する宇宙空間である。実は、極域の夜空に乱舞するオーロラは、磁気圏ダイナミクスの反映である。つまり、オーロラの暴れる様相は地球磁気圏プラズマ・ダイナミクスがいかにダイナミックであるかを物語るのである。

地球磁気圏は地球の中心から、地球半径の数十倍の距離に広がる宇宙空間であり、科学衛星を飛ばして「その場」観測を行うことができる宇宙空間である。プラズマ観測においては、科学衛星は「その場」で、どのように粒子が飛び回っているか(速度分布関数の計測)を観測し、電磁場がどのようになっているかを観測する。つまり、衛星が置かれた場所一点のものではあるが、また、時間・エネルギー・角度などの分解能にともなう制約があることもあるが、プラズマ・ダイナミクスの本質へと迫り得るデータを提供するのだ。これは、天文分野がリモート観測しか出来ないことと大きく対比されるべき、地球惑星磁気圏・太陽系空間を観測対象とする分野に特有の強みである。逆に、この利点はより広い文脈においても活用されるべきである。

磁気圏では、様々な興味深い現象が展開する。過去50年、磁気圏分野では、磁気圏で何が起きているかを「知る」ということに重きが置かれてきた。しかし、宇宙科学近隣分野の状況を考え「その場」観測がいかに貴重であるかを思い知るとき、われわれは、より普遍的な枠組みで宇宙プラズマ物理学の確立に貢献していくという新しい使命を担わなければならないことに気づくのである。今後の磁気圏分野のおいては、「(定量的に)理解する【quantify】」ということが課題となっていく。そして、普遍的な宇宙プラズマを根源的に理解していく枠組みを構築する上で、磁気圏という研究フィールドが果たす役割が大きいことを確信し、われわれは新しい研究分野の目的として、「磁場で宇宙を観る」姿勢の確立を掲げるのだ。

自分の進んできた道

私のD論は「KH不安定性におけるイオン粒子効果」というものだった。KH不安定性(KHI)とは、流体力学で扱われる不安定性であり、であるが故に、宇宙プラズマにおいては電磁流体力学近似(MHD近似)で扱うというのが当時の「常識」であった。しかし、KHIで発生する渦について思考実験してみると、イオン・ラーマー半径効果(流体を構成するイオンが粒子として振舞う効果)がある場所(渦の双曲点)で必ず出現するということになる。どうなっているのだろうか?(それをキャッチーに「MHDの自殺」と呼んだりしていたのだが、当時は、「は? 何を言うとると?」という程度の注目度だった。そういう、常識に歯向かうリスクを背負いながらも)ということで、電磁流体的不安定であるKHIを、わざわざコストのかかる粒子計算(当時は、イオンだけを粒子とすることがぎりぎり出来た)でシミュレーションしたのだった。

ここで自慢したいわけではないのでこれ以上詳細は述べないが、その後、「MHDって、いったい何なんだ」とでも特徴付けられる研究の流れの、第一世代の結果を生み出したことは自負している。そして、常識を変えていくこと、本質へと迫る道筋が見えること、新しい世界の見方を提案できることの興奮を知り、そこから離れがたく、その興奮を求めて将来観測計画に関与し、シミュレーション研究を続けているのだ。

ISASミッション将来計画

ISAS宇宙プラズマ研究系の将来ミッション計画は三本柱からなる。われわれは、水星に行き、地球で次世代観測を実施し、木星に行こうと思う。そして、得られる成果を常に「宇宙プラズマ」という統一的視点から見ることで、より普遍的な枠組みの構築へと貢献していくのだ。

水星探査計画ベッピ・コロンボ

ベッピ・コロンボはJAXAが欧州ESAと共同して実施する水星総合探査計画で、二機の探査機からなる。うち、JAXAが提供するMMO(Mercury Magnetosphere Orbiter)は(1)惑星本体表面がプラズマと直接接触する状況、(2)磁気圏サイズがイオン・ラーマー半径とそれほど異ならない状況、(3)内部太陽圏の太陽風下にあるという状況にある、未知の水星磁気圏物理の解明を狙う。2014年打ち上げ。

地球磁気圏同時マルチ・スケール観測計画SCOPE

宇宙プラズマ・ダイナミクスの魅力の源は、様々なスケールのダイナミクスが連携して、全体としてダイナミックな現象が出現することにある。これに対応する観測とは、マルチ・スケールを同時に観測すること、具体的には、スケール長に対応した衛星間距離をもつ編隊を複数用意し、同時観測を行うことである。これは世界の研究者の夢であり、最小限の構成ながらも同時マルチ・スケール観測を行うと宣言したSCOPE計画は、今、加速しつつある、全世界が共同しての、10機以上の衛星による同時マルチ・スケール観測計画のコアにある。つまり、欧州や米国など、世界の研究者がやるべきことをやるために結束する駆動力にSCOPEはなっているのである。2017年打ち上げを想定。なお、SCOPEだけでもカナダとの共同計画である。

木星探査計画EJSM

EJSMはJAXA、欧州ESA、米国NASAと共同して木星系を総合探査する計画である。JAXAはJMO(Jovian Magnetospheric Orbiter)とトロヤ群小惑星探査機を提供し、「木星系の今」と「木星系の起源」という科学テーマに貢献することを考える。木星磁気圏は「その場」観測が可能な太陽系空間において最も魅力的なスポットである。強大な磁場、高速自転する惑星本体に引き摺られる磁力線、衛星イオの火山という強い内部プラズマ源。これらが組み合わさって木星磁気圏を強大な粒子加速器とせしめている。その加速機構は?これをきちんと理解することは、太陽系をフィールドとする精密なプラズマに関する知見を、天文プラズマへの橋渡しするパスを確立することにつながる。

なお、それぞれの詳細、また、これらの計画を推進する現場の雰囲気を知りたい方は研究系HPを参照されたい。

シミュレーション研究

計算機能力の向上により、私がD院生だったころには夢でしかなかったような計算が可能な時代となった。イオンも電子も粒子として扱うモデルで超大型計算を行い、驚きながら新しい発見をしていく時代なのだ。要素ごとの線形段階での振舞いは予測できる。しかし、それらが非線形段階に達したとき、しかも、大規模系に埋め込まれていて全体の中で他の要素と干渉・連携をするとき、そこからは「嬉しい驚き【pleasant surprise】」がもたらされるのだ。そんなことがあったのか。こんな微妙な因子が最終結果を決定するのか。新しく発見した興奮と、いままで気づかなかった後悔との間をジェットコースターする毎日は楽しいとしか表現のしようがない。

この楽しさは、幅広い将来ミッションが企画立案されているということ、問題意識を磁気圏物理に必ずしも限定しなくともよいということにも支えられている。この状況では、シミュレーション研究は、既存の観測結果を「説明する」というセコい束縛を受けることはないのだ。本質的で、面白くて、あっと思う物理メカニズムの探求に集中することができる環境なのだ。

従来の「磁気圏」という枠組みを越えた研究課題

実際、私は「原始惑星系円盤における磁場効果」というテーマにも手をひろげている。原始惑星系円盤とは、出来つつある星を取り囲むガス円盤で、そこ含まれるダストが集積して、」やがては惑星系となるらしい。ところが、特に、ダスト粒子が集積して微惑星と呼ばれる10kmサイズの天体へと到る過程がまったくわかっていない。そこでは、ガスとの相互作用が重要であり、また、ガス・ダイナミクスにおいて磁場が効果的であった可能性が高い。つまり、われわれの住む世界が形作られる過程においても、磁場が重要な役割を果たしていそうなのである。

期待すること

『研究とは「わかる」とはどういうことかを考えることである』。このステートメントに賛同するひとは、一緒に研究することを楽しめると思います。

(執筆: 藤本正樹, 編集: 田中健太郎)