最新研究成果

カッシーニ探査機の観測に基づく木星準周期的電波バーストの偏波特性と到来方向

木村　智樹　／　JSPS特別研究員

 

惑星磁気圏で最も強力な粒子加速過程の１つが「木星周期的粒子加速現象」です。これは、木星の極域において、電子やイオンがMeVエネルギー帯（光速の99.9％以上の速さ）まで、数分-数10分周期のバースト状に加速される現象です。1回のバーストで、木星外部磁気圏におけるMeV電子の10％相当量の電子が供給され（McKibben et al., 1993）、惑星間空間へ漏出していきます。これに関連して、極域オーロラや電波現象にも同じ周期性が検出されています。紫外線やX線の波長帯においては、KeV電子やMeV重イオンによるオーロラ発光が、数分-数10分周期で明滅していることが発見されました（Gladstone et al., 2002）。これらは、周期的粒子加速の周期に近く、いずれも相対論的粒子加速を強く示唆しています。この粒子加速は、惑星の高エネルギー粒子の供給過程として重要視されていますが、粒子やオーロラの観測は数例と非常に少なく、加速源の位置や物理機構は明らかになっていません。

図１：　チャンドラ衛星によって極冠領域に発見された周期的X線オーロラ。明滅の周期は粒子・電波バーストとほぼ同一の45分周期（Gladstone et al., 2002）。

 

我々は、周期的粒子加速に同期して発生する、準周期的電波バースト現象（QPバースト）に注目しました。粒子やオーロラよりも豊富に存在する探査機の電波遠隔観測データに基づき、粒子加速過程の解明を目指しています。この論文では、土星探査機カッシーニが惑星間空間航行中に木星フライバイした時のデータを用い、QPバーストの放射源位置や励起機構を調査しました。これにより粒子加速過程を制約するのが狙いです。

まず、励起機構の特定に不可欠な、偏波情報の調査を行いました。粒子加速領域やそれに伴う電波現象の放射源は、木星磁気圏に固定されて共回転しています。共回転に伴って、観測者から見た出現特性や偏波特性が変化します。これらの特性を、木星経度に対して並び替えることで、1自転の位相中での特性分布を調査しました。その結果、約半自転分にわたる自転位相において、左旋円偏波が頻繁に観測されることがわかりました。これは、数10分周期のQPバーストが自転周期で出現しており、出現している位相では特定の電波モード（L-Oモード）であることを示しています。自転周期の出現特性は、土星オーロラ粒子加速についても報告されており（例： Badman et al., 2012）、自転エネルギーに駆動されている惑星磁気圏に普遍的な特性であることが示唆されました。

 

図２：　自転位相と偏波特性に対する、QPバーストが観測されたデータ点の分布。白黒の色はデータ点数を示す。横軸は自転位相（0-360°で1自転に相当）。縦軸のS, Q, U, Vは偏波を特徴付ける特性パラメータ（Stokesパラメータ）。ある特定の自転位相（260°-480°）に、データの大多数が集中している。このことからQPバーストが自転周期で出現していることがわかる。

 

次に、放射源位置の特定に不可欠な、到来方向探知を行いました。カッシーニ探査機によるQPバーストの方向探知は過去にも行われましたが、本研究では初めて精度評価を詳細に行った上で、到来方向と木星との距離を定量的に測定しました。その結果、惑星間空間の観測では、理論で予測される高度（2-10木星半径）よりも5倍以上木星から離れた位置（50木星半径）から到来していることがわかりました。本研究では、理論と整合する高度から放出された電波が、マグネトシースによって屈折散乱を受けることで、見かけの到来方向がずれてしまったと解釈しました。

今回得られた結果と、我々が今まで行なってきた観測や励起の理論検証を総合し、周期的粒子加速によるQPバーストの励起・伝搬過程の全容を初めて提案しました。

１．極域上空において、不安定な速度構造を持った電子バーストが起きる。

２．反木星方向へ走る電子バーストにより木星へ降下するプラズマ波動が励起される。

３．それと同時に高高度において電子バーストから電波（QPバースト）が直接励起される。

４．降下するプラズマ波動が低高度極域電離圏で電波（QPバースト）に変換される。

５．低高度・高高度から励起されたQPバーストが磁気圏内やマグネトシースを伝搬し観測者位置で検出される。

図３：　現在までに得られた我々の観測結果や理論検証から予測されるQPバーストの励起・伝搬機構。

 

これらの励起伝搬過程は粒子加速の高度分布やエネルギー源を制約するものです。次の課題としては、QPバーストの放射源を数値モデル化し、観測と比較することで、詳細な放射源位置の特定や、粒子加速のエネルギー源を議論していくことになります。

 

以上の結果は、Journal of Geophysical Research - Space Physicsに出版されました。

Kimura, T., B. Cecconi, P. Zarka, Y. Kasaba, F. Tsuchiya, H. Misawa, and A. Morioka (2012), Polarization and direction of arrival of Jovian quasiperiodic bursts observed by Cassini, J. Geophys. Res., 117, A11209, doi:10.1029/2012JA017506.

参考文献：

McKibben, R. B., J. A. Simpson, and M. Zhang (1993), Impulsive bursts of relativistic electrons discovered during Ulysses' traversal of Jupiter's dusk-side magnetosphere, Planet. Space. Sci., 41, 1041-1058.

Gladstone, G. R., et al. (2002), A pulsating auroral X‐ray hot spot on Jupiter, Nature, 415, 1000-1003, doi:10.1038/4151000a.

Badman et al. (2012), Rotational modulation and local time dependence of Saturn's infrared H3+ auroral intensity, J. Geophys. Res., 117, http://dx.doi.org/10.1029/2012JA017990.