名古屋大学理学部･ 大学院理学研究科広報誌［理フィロソフィア］
autumn _ winter 2020

編 集だより新型コロナウィルスの世界的流行（パンデミック）によって、こ学生や事務の方々も含めた名大理学 構成員の奮闘ぶりが 伝われまでに経験したことのない日常が続いている。2020年度の始る内容になったと思っている。もちろん、これらは広報委員に

まりは、講義や会議はすべてオンライン、研究も必要最小限の届いた事例のみであって、他にもさまざまな取り組みが進んで目的で登校する以外はリモート。それでもなお、教育、研究、運おり、これからも続いてゆくであろう。今後もパンデミックへの39

営を止めないよう、多くの構成員が奮闘していた。その状況下で、 対応は続き、ウィズ・コロナ、ポスト・コロナ時代に向けて、名大理フィロソフィア 39 号の編集会議も始まった。本 誌の目的は、理学としての新しい様 式の構築が 課題となる。独自のアイデア

名大理学の現在の姿をさまざまな角度から光をあてて紹介し、や工夫によって、名大理学らしい新しい取り組みや成果を発信

広く社会に理解してもらうことにある。ならば、地球規模の災禍できることを願いたい。
（飯嶋徹）

特集

「 宇宙は磁場に満ちている」といってもよいパンデミックに対して、我々がどのように対応したのか、そのことを触れずにはおけないと考え、「名大理学部_はコロナウィルスにどう対応したのか」と題する特設ページを設08けた。理フィロソフィア 20 年の歴史の中で、大きな社会問題を

12_

翌年に発行した 22 号掲載の「東日本大 震災をめぐる理学」に

02_

次いで 2回目となる。編集における課題は、いかに名大理学の16とりあげた特設ページを設けるのは、東日本大震災が発生した

特 徴を出せるかであったが、幸いにして、新薬開発 への貢献を目指す研究や、感染データを可視化して理解する試み、工夫を凝らしたオンライン講義に関する記事などを集めることができ、

研 究 会 ・学 会 スケジュール

表紙説明
オーロラは天体 の 磁 極 近 辺に見られ

開 催 日 ： 2020年11月28日（土）・12月5日（土）開 催 場 所 ： オンライン（無料、事前申込制）
主
催 ： 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所（WPI-ITbM）
物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点（WPI-MANA）
大阪大学免疫学フロンティア研究センター（WPI-IFReC）
東京大学ニューロインテリジェンス国際研究機構（WPI-IRCN）
問い合わせ ： 三宅恵子 トランスフォーマティブ生命分子研究所 特任講師
miyake.keiko@itbm.nagoya-u.ac.jp／052-789-4999※参加申し込み等の情報はITbMのHPにて掲載
http://www.itbm.nagoya-u.ac.jp/index-ja.php

る大 気の 発 光 現 象であり、太 陽風プ
ラズマと地 球 磁 場 の相 互作用により発 生 する。下 は 電 波 観 測 でとらえた
天の川銀 河 内の 磁 場 の地図。銀 河のスケールでも磁 場 が 存 在 することを示している。
No .39

広報委員

阿波賀邦夫（研究科長）
寺﨑一郎（副研究科長）
嘉村 巧（副研究科長）
松尾信一郎（数理学科）
飯嶋 徹（物理学科）※委員長
中澤知洋（物理学科）
川﨑猛史（物理学科）
伏谷瑞穂（化学科）
杉山 伸（生命理学科）
平子善章（生命理学科）
夏原由博（地球惑星科学科）
南崎 梓（素粒子宇宙起源研究所）
堂前弘樹（事務長）

編集発行

名古屋大学理学部・大学院理学研究科広報委員会〒464 - 8602 名古屋市千種区不老町

組織図
理学部・理学研究科・多元数理科学研究科・環境学研究科（地球環境科学専攻）
理学部（学科名）

大学院研究科（専攻名）
多元数理科学研究科

数理学科

多元数理科学専攻
理学研究科

関連施設等
附属南半球宇宙観測研究センター
附属タウ・レプトン物理研究センター
未来材料・システム研究所

物理学科

素粒子宇宙物理学専攻

素粒子宇宙起源研究所

化学科

物質理学専攻物質科学国際研究センター

生命理学専攻附属臨海実験所

名古屋大学・エディンバラ大学
国際連携理学専攻

附属ニューロサイエンス研究センター

生命理学科

遺伝子実験施設

ご意見、ご感想をお待ちしています。
本誌の原稿執筆や取材などにご協力いただける方を求めています。

生物機能開発利用研究センター
環境学研究科
地球惑星科学科

地球環境科学専攻

広報委員会までご連絡ください。

宇宙地球環境研究所

なお、
ご投稿などの採否については当委員会にお任せください。

附属地震火山研究センター

事務部

博物館

技術部

減災連携研究センター

autumn _ winter 20202020年11月25日発行

制作
編集協力
デザイン

株式会社電通株式会社エスケイワード
株式会社ティ・エム・シー

・本誌記事、写真等の無断複写、転載を禁じます。

ISSN 1884 _ 8486

2308

W PI presents 教育関係者のための研究最前線講座_

磁場は宇宙の起源を紐解くメッセンジャー◇ 市來淨與
人工衛星でジオスペース最高エネルギー
粒子が生まれる現場を見る◇ 三好由純
名大理学部はコロナウイルスにどう対応したのか
理の先端をいく ◇ 藤田耕史／ルガル・フランソワ名大理学部はコロナウイルスにどう対応したのか

理学研究科独自の判断封印された従来の価値観

見て手を動かす実験については、安全面を考えてもある程度の人数の学生を集めて実施せざるを得ない。このような半年間のコロナ禍に思う
阿波賀邦夫 理学研究科長

東京オリンピックを楽しみにスタートした 2020年だが、誰もこの半年間、実に多くの「対面」が「リモート」に切り替えら分析から、理学将来予想というか、理学にとって望ましい将来経験したことがないような日常が半年以上続いている。新型コれた。それまでは、多くの会議や出張をこなし、海外にも足を運を考えてみよう。優れた教育コンテンツの開発やそのベストミッ

ロナウイルスの世界的な拡散により、オリンピックは延期され、んで対面することが、活力の指標であるかのような意識でいたが、クスにより、多くの講義をまかなうことができるようになれば、我々の社会活動や価値観さえも、大きく変形させざるを得ない

その価値観を封印されたような気分がする。そしてリモートの誤解を恐れずいえば、毎年毎年、講義の数だけ教員をそろえる事態が起きている。これまで我々は、先端科学技術に裏打ちさ方は、当初はネット環境の脆弱性や操作の不慣れに戸惑う場面

必要はもはやなくなるだろう。ここで重要なことは、教育に資すれた、ある程度成熟した現代社会に暮らしているとばかり思いもあったが、あっという間に改善され、理学研究科の教授会をる教員の専門化によって得られる余力を、研究に資する教員数込んでいたが、ウイルスや感染症に対抗する科学技術の現時点含め、学内外の主要会議はすべてリモートとなっている。少なくや研究活動そのものの拡充にあてることで、教育と研究の分離での限界を突きつけられ、また見えない不安に対する社会の脆

とも表面上は、何の支障なく議事が進められており、恐らく多くというか、それぞれの専門化によって、理学の教育研究活動の弱性を思い知ることとなった。

の会議は、コロナ終息後も以前の対面形式に戻ることはないだ

両面を発展されることが十分に可能と思う。

新型コロナウイルスに関しては正月ごろから連日報道される

ろう。また、リモート講義に関しては、パワポ＋音声入力、オンラ

ようになり、大学においても、1月半ばからその影響が徐々に出

イン講義、録画ビデオ講義など、実にさまざまな形態が試された。

始めた。本学で開催される研究会や学会が軒並み延期や中止

その有効性については、何回でも資料を見直せるため勉強しやに追い込まれ、理学研究科においても卒業論文や修士論文のすいとの学生の声もあり、多くの学生・教員がリモートも悪くは報告会などが中止された。さらに大学全体の卒業式や入学式でないと感じているのではないだろうか。

リモート教育が変えたもの

名 大 理 学 部 はコロナウイルスにどう対 応した の か症との戦いで、100年に一度程度の頻度で世界規模の被害をぐらいの周期で過去にも経験していたことが事後に明らかにされたが、人間の記憶は、何か禍があった直後によみがえるら

感染拡大の不安が一気に膨張した 2月、試験期間直後の春休

02

ペスト、スペイン風邪、コレラ、結核…。人類の歴史は感染受けているとのこと。東日本大震災の大津波も1000年に一度さえも見送られ、4月以降すべての講義は原則リモートとなった。
ダイヤモンドプリンセス号のひっ迫した事態が連日報道され、感染症と科学

みの期間中であったこともあり、理学研究科独自の措置として、

今年度前期半年間に繰り広げられたリモート教育を総括すしい。感染症と科学の発展というと、すぐ引き合いに出される学生全員に 1週間の自宅待機をお願いした。性急に決定したこ

ると、いくつかのことが見えてくる。まず講義形式については、のがペストとニュートンである。ヨーロッパにおけるペスト大流とで、一部の指導教員や大学本部からのお叱りを受け、いささどの形態が良いというよりは、適切に混ざっていることが学生行の影響でケンブリッジ大学が閉鎖され、ニュートンは 1665

か「高い授業料」となったが、いくつかのことを「学習」した。

を飽きさせないようだ。今後は、これまでのような対面講義オン

年から1666年にかけて、故郷のウールスソープで 18カ月を過この期間、学生がいなくなった理学の廊下を歩いてみると、少リーではなく、「ベストミックス」により教育効果を高める工夫がごし、近代科学の扉を開けることになる。落ち着いた環境で自なくとも理学研究科をクラスターとする感染拡大はないという求められるだろう。2点目は、優れた教育コンテンツの開発である。

由に思考する時間が、研究の発展にいかに重要であるかを教安堵の感とともに、理学の研究教育活動がほぼ完全にストップ

先日、ある先生のビデオ講義を拝見したが、ICT機材を自在にえてくれる。350年後の名大理学においても、コロナ禍を契機してしまうという現実を目の当たりにした。さらに、1部局の措使いこなし、先生が手書きした文字や図がライブのように画面に何か一つでも次の時代を切り開く研究成果が生まれることを、置が周辺部局の不安をあおるというか、理学で何かあったので上に現れる一方、先生自身は常に画面上に現れて、熱く語りか

切に祈っている。

はといらぬ憶測をよんでしまうこともわかった。危機管理の鉄

けてくださる。このビデオを学生に見せてTAをきちんと配置す

則かもしれないが、措置の前に、今、目の前の事実を冷静に伝れば、十分な学習効果が得られると感じた。3点目は、実験・実えることの重要性を再認識させられた。

習のリモート化の困難さである。当然のことながら、実際に目でNo.39 autumn _ winter 202003

名大理学部はコロナウイルスにどう対応したのか

オンライン授業におけるコミュニケーション
井原邦夫 遺伝子実験施設准教授

計算機シミュレーションを
新型コロナウイルス治療薬開発に生かす

理学部・理学研究科・

岡本祐幸 物質理学専攻教授
2020年、世界中の人々が新型コロナウイルスの感染症に大きな影響を受け、生活様式がすっかり変わってしまった。筆者は、科学者と図1 クライオ電顕で決定されたスパイク蛋白質の立体構造。
スパイクの上の部分に細胞膜上のACE2に結合する受容体
結合ドメインRBDがある。

して何か貢献できないかと日々考えているが、本小文では、筆者にはこんなことができるのではないかと思うことを書きたい。筆者は物理

図 2 新 型コロナウイルス（赤 紫 色）が 細 胞 膜（濃 灰 色）
を貫通する受容体ACE2（濃 紺色）に結合する模 式図。右は左の拡大図であり、ウイルスのスパイク蛋白質のRBDがACE2に結合しているところ。

学の分野で開発された拡張アンサンブル法と総称される強力なシミュ
レーション手法を生体系の分子シミュレーションの分野に導入するとともに、生体系に適した多くの拡張アンサンブル法を開発してきた（本誌 38号P.8参照）。その一つにレプリカ交換傘サンプル法（REUS）がある。この手法を新型コロナウイルス治療薬の開発に使いたいというのが筆者の考えである。
薬が効くというのは、大雑把な話をすれば、病気を起こす蛋白質の結合場所に薬分子が結合し、その蛋白質が病気の原因となる「悪さ」をできなくすることである。筆者らは、薬剤候補分子と標的蛋白質の結合場所との距離を反応座標とするREUSシミュレーションを実行することによって、どの候補分子が最も結合しやすいかを計算によって示す方法を提案した。従来のシミュレーション法では、この距離はほとんど動かず、薬剤候補分子が標的蛋白質に結合するのに膨大人数の講義では、ビデオONを強要できず、

2020年度の春学期はスタートした。準備期

アノニマスアイコンがならんだ画面を見なが間として講義開始は 1週間延期されたが、らの講義になる。そのうち、味気ない一人芝

2020年の 4月は、新型コロナウイルス感染

具体的なオンライン講義のやり方がまったく居（講義）をやっている錯覚におちいる。質症の影響により、例年とは全く違う新年度

見えてこない。名古屋大学の授業ホームペー

問でもあればネットの向こう側にいる学生をの始まりとなった。4月3日に行われた理学

ジ管理システムであるNUCTに教材を置い意識できるが、そんな学生はほとんどいない。

部新1年生を対象とする新入生ガイダンスは、た自主的な課題取り組みを中心とする講義

最初の授業の後に、オンライン共有画面にガイダンス前日に急遽、予定していた内容をか時間拘束を伴う双方向のオンライン講義

匿名でコメントを流せるツールを知った。この大幅に変更することを余儀なくされた。

にするか悩んだ。チャットアプリ上に設けられ匿名性の利点は大きく、「ATPって何です「3密」を回避するため、50人以下かつ1た教員間の情報交換チャネルでも、オンライ

か」といった質問が共有画面に流れ、それ時間未満でガイダンスができるように、新1

ン講義についていろいろな情報が飛び交い、に解説を加えたり、こちらからの問いかけに年生を6つのグループに分けて、内容を絞っ

不安にかられ、例年の10倍以上の時間をかも生の反応があり、ネットの向こう側との距離て実施することとなったのである。

け準備をした気がする。学生との唯一の接が一気に縮まった気がした。学生側の評判

急なプラン変更は非常に大変だったが、点であるNUCTでアナウンスして、ウェブア

もすこぶる良くて、オンライン講義では欠か

前日の連絡にもかかわらず、ほとんどの新1

プリでアンケートを取った。その結果から、ひせないものになった。オンライン環境は、実は、年生が大きな混乱もなく、参加してくれたことまずオンライン講義でスタートして、参加者

かなり整備されていて、使う人間側の保守とは大変にありがたいことだった。また、同の反応を見ながら修正していこうと決めた。

性でゆっくりとしか変化できなかったのが、今じ内容のガイダンスを、1日に 6度も行って通常の講義では、学生の顔（反応）を見な

回のコロナ禍によって一気に加速し、新時代いただいた学部長と教育委員長には、心かがら、講義のメリハリをつけている。それが、の講義へとシフトしていくきっかけになるのか

ら感謝をしている。

オンライン講義になると、難しくなる。特に、多もしれない。

ガイダンス以降、遠隔授業となり、学生は原則登校を禁止されたことを思うと、短い時間ではあったが、新入生にとって貴重候補分子を結合場所の方向に近づけたり、遠ざけるような力を掛け
2020年初めに新型コロナウイルスのまわりに突き出ているスパイクにキャンパスでの大学生活を送らせてあげ
たい、と切に願う。

藤原素子 素粒子宇宙物理学専攻博士後期課程 2年とよばれる蛋白質群の立体構造がクライオ電子顕微鏡実験によって質の一番外側には、それに結合する受容体結合ドメイン（RBD）がな登校の機会であった。早く、彼ら、彼女ら

1年生へのメッセージをウェブにることで結合に要する計算時間を大幅に短縮することができる。

酵素 2（ACE2）とよばれる受容体があり、ウイルスのスパイク蛋白

堀上美里 多元数理科学研究科
教務学生係長オンライン講義になるかもというところからな計算時間がかかる。一方、REUSでは、シミュレーション中に薬剤決定された（図 1）。肺の細胞の細胞膜には、アンギオテンシン変換「3密」を回避した
新入生ガイダンス

オンライン授業を受けて
篠原百絵 理学部 1年ある。RBDがACE2に結合することによって、その細胞はウイルスにアウトリーチ活動の一環としてサイエンスカ

い現状、私たちにとっての大学における本来セージを募集し、のべ 25人の方からあたたかフェを企画しようとしていた矢先、コロナの影の「日常」は、きっと1年生たちにはまだ見通

く力強いエールをお寄せいただいた。
メッセー

響で対面での打ち合わせすら不可能になった。

せていない。すべてを伝えることは難しくても、ジをまとめたウェブページは反響も大きく、素感染する（図 2）。よって、まず筆者が目指すのは、RBDとACE2の

私はこの春に名古屋大学に入学し、大学生活を楽しみにしていた。

「大学で理学を学び研究するものとして、い大学とは自分だけのテーマをとことん探究でき晴らしい企画になったと自負している。

結合に関するREUSシミュレーションを実行して、細胞の新型コロナ

しかし新型コロナウイルスの影響で、授業はすべてオンラインだった。

まだれに何を伝えたいか」。企画の出発点にる自由な場所であること、大学の講義の大切

1年生の皆さん、名古屋大学理学部へよう

ウイルスへの感染のメカニズムを探ることである。

初めてのことばかりで不安がたくさんあった。1人で家の中で毎日授業立ち戻ったとき、学部1年生の姿が浮かんだ。

さや、その先に待っている研究の面白さを伝こそ。皆さんといっしょに研究できる日を心待

さらには、新型コロナウイルス治療薬として、RBDに結合することを受け、友だちもほとんどできないのは少しさみしくて、思い描いていキャンパスにすら気軽に足を踏み入れられなえたい。物理学教室を中心に、1年生へのメッ

ちにしています。

によって、RBDがACE2に結合するのを阻害するものが考えられる。

た大学生活とは違うな、と思っていたが、オンライン授業でよかったこと

その候補分子が得られた時、どの候補分子がRBDにもっとも効率良もあった。たとえば、オンデマンド式の授業は一時停止したり何度も見く結合するかを、REUSシミュレーションで調べることができる。

返すことができるので、理解につなげることができた。ほかにも、通学

RBDがACE2に結合する感染の第 1段階に続いて、第 2段階では、スパイク蛋白質がプロテアーゼという酵素によって二つに切断さにかける時間がなくなったり、自分の都合の良い時間に授業を受けることができるのはうれしかった。

れ、ウイルスの膜と細胞膜が融合して、ウイルスの核酸（RNA）が私は4月から下宿する予定だったが、オンライン授業が決まり、春学

細胞内に入りこんで感染する。よって、創薬としては、このプロテアー

期は他県の実家で授業を受けた。他県にいながら名古屋大学の授ゼに結合してスパイク蛋白質の切断を阻害する薬剤を開発すること業を受けられるのは、多少デメリットもあるが、すごいことだと思った。こも考えられる。このような創薬研究にREUSシミュレーションをぜひ用のコロナの時期を機に、多様な大学生活のあり方が生まれていけばいていきたい。

いいなと思う。
1年生へのメッセージウェブページ

04

名 大 理 学 部 はコロナウイルスにどう対 応した の か

https://teamkmisc.wixsite.com/home/message

No.39 autumn _ winter 202005

名大理学部はコロナウイルスにどう対応したのか

接触経路を可視化する
奥村

学生実験をリモートで実現する
北口雅暁 素粒子宇宙起源研究所准教授

曉 宇宙地球環境研究所講師「X県でクラスターが発生」「新たにY人の感染確認」「感染経路不明はZ人」。こんな報道を毎日見るようになって半年以上が過ぎた。感染者数の日毎のヒストグラム表示や、累積感染者数を片対「物理学実験」は物理学科 3年生の必修科目であり、学生は四つの数表示したグラフも、読者の多くがすでにご覧のはずだ。しかし時系列データを単に人数として眺

実験テーマに取り組む。基礎的な実験でも実際にやってみると理屈通めるだけでは、ここ愛知県で一体何が起きているかを把握するのは難しい。2020年 2月から 4月にりにならないことが多い。共同研究者と議論して納得いく結論を導き出すという研究者として必要なこの基礎体力を、学生は実験を通して身につける。
装置のまわりに学生が集まり、また時に激しくなる議論そのものが重要なので、実験は密な状態になりやすい。
テーマによってはやむをえず、学生間でも議論
質問・指導

https://github.com/akira-okumura/
COVID-19

は高齢者施設や合唱団などでのクラスターが多数発生したものの（第 1波）、毎日増える感染者数

TV会議でライブ実験がクラスター追跡調査の賜物なのか、それとも経路不明の市中感染が広がっているのか、感染者装置は郵送数の推移だけでは見えてこなかった。

実験終了時
に返却

「データの見せ方を変えてみよう」と私が思い立ったのは4月3日のことだ。保健所の公開するデー
タをもとに、より情報をもたせて可視化できないか、愛知県や岐阜県で何が起きているかを概観す

実験は行わずに過去のデータを解析させることにした。実データの取る見せ方はないか、ウイルスについては全く専門外の私なりに工夫したのが、本記事の接触経路図だ。

り扱いは初めてなのでこれだけでも行う意味はある。筆者が担当する

右の図は、自治体が公表する「県内 100例目の濃厚接触者」のような情報から半自動生成した、「回路実験」は基礎的な電子回路を作成し特性を調べるもので、唯全接触経路である。10月11日現在、愛知・岐阜 6185人分の接触情報を掲載している。下図に抜粋

一全員が履修する。せめてこのテーマだけでも体験させたい。最近せる機会を設けると理解度が向上した。これらは対面での指導と変わする第 1波では、両県の感染者の大部分がクラスターであった。しかし第 2波ではクラスターに含までは小型で簡易なオシロスコープや信号発生器が安価に手に入るのらない。一方、簡素な装置しか使えないことや安全性の点から実験れない（もしくは追えていない）経路不明の事例が半分程度を占めるようになったのが右の全体で、全学生に順番に郵送して自宅で実験させられないか。対面指導

内容は限られる。いっしょにものに触れての指導ができないので学生

図からはわかる。また実際にどのような集団や年齢層で感染が広がるのかもわかる。

なしでも学習できるよう事前配布資料や授業の進め方について教員が装置に慣れるのにかなり時間がかかった。TV会議越しで意思の間で綿密に検討を重ねた。幸い予算が措置され、TAの尽力もあって、疎通が難しいという声もあった。

準備は春学期に間に合った。

愛知県、岐阜県の感染経路図。
高 解 像 度の図と元 データは下 記のウェブページで閲覧できる。

同じ測定データでも、それをどのように眺めるかによって得られる情報はがらりと変わる。実験
物理学者の私にとって、これは自身の学生時代にさかのぼる研究生活で学んだことであり、今も学

やはり実験は大学で対面で行うのが非常に望ましい。それでも今回、開講してみると、8割程度の学生が希望者向けに開設したTV会

学生実験をリモートで実現できたことは、同様の事態への備えとして議での双方向授業に継続して参加した。映像を見ながら教員が適宜

大きな意義があった。制約の多い中、学生も積極的に取り組んでくれ助言できたし、学生も活発に議論していた。学生同士で進捗を報告さた。コロナ禍の経験を糧にして、より良い大学教育を目指したい。

生に日々教えていることだ。人と違った視点をもってみるということが、理学部卒業生の多様な進路先でも生きることを願う。

オンラインでもできるセミナーがある
川村静児 素粒子宇宙物理学専攻教授
2019年度から基礎セミナーAを担当することになり、以前から興味のあった『論理的対戦型ゲームを通して発想力を鍛える』授業を行った。独自に考案した簡単なゲームを題材として、まずはグループに分かれて、その必勝法を論理的に考察してもらい、次に、学生

オンラインセミナーでのゲームのイメージ。
碁 盤の上で順 番に棒を動かし、自分の陣地と真ん中のマスをつなげ、最後に残る敗者を決める。図では、次に佐藤さんが✓のついた棒を動かせば、高橋さんの負けとなる。

鈴木 1

佐藤 2

高橋 4

3. 田中

一人一人に、そこから発想を飛ばして、より魅力的なゲームを考案してもらうのである。学期の終了後、学生たちからは、「これこそが大業に若干戸惑いながらも、積極的に自分の意見を述べてくれた。そ学の授業である」などの熱いコメントをいただき、私としても大いにの後、全国紙のコーナーで大きく取り上げていただき、何人かの学

満足のいくものであった。

生がインタビューを受けて彼らの意見が名前とともに紹介され、そ

さて、2020年度は、新型コロナウイルスの影響によりオンラインのことがより一層の授業の盛り上がりに拍車をかけた。オンライン授業である。まず、心配したのは 12人の学生のネット環境。幸い、では、何をするのも対面の3倍程度の時間がかかるのだが、学生た

全員「オンライン講義で大丈夫」とのことであったのでまずは一安心。

ちは、私の教え通り、日常生活の中に心を遊ばせることにより、驚く

また、昨年度のように4人ずつ三つのグループに分かれて議論を行ような発想（たとえば、磁石をコマにしたり、電子殻をボードにしたり）

うことも、アプリケーションの機能を使えば可能であり、ゲーム自体を得て授業に参加してくれた。

も、「ボード」を画面共有し、そこにコメント機能を使って、マークを「コマ」として書き込むことで何とかなりそうであった。
いよいよ最初の授業。多少のまごつきはあったが、幸いにも、やりたいことはほぼすべてできた。学生たちも、この摩訶不思議な授06

名 大 理 学 部 はコロナウイルスにどう対 応した の か

コロナで行動が大きく制限されているこのような時にも、こんなにも豊かな発想力を発揮してくれた学生たちには頭が下がる。今後、一日でも早く、彼らが普通の学生生活を楽しむことができるようになってくれることを心より願うものである。
No.39 autumn _ winter 2020

07

特集

宇宙は磁場に満ちている

磁場は、身近にありながら、その定 量 的な影 響の評 価が難しい力である。

に変換する機構である。太陽や、地球内
図 1 天体のスケールと付随する磁場の強度の関係図

しかし、宇宙の天体進 化を考える時、磁 場の存 在は無 視できない。

宇宙におけるさまざまな天体のスケー
ルとそこに付随する磁場の大きさについての関係を描いた図で、宇宙にはいたるところに磁場が 存在していることを示している。ボイドについて
は磁 場 の下 限 が 観 測 的に得られている。密度 揺らぎ 磁 場は宇宙マイク
ロ波 背 景 輻 射 温 度 揺らぎなどから示唆される密度揺らぎから不可避的に生成される磁場の大きさ。

実は、少なくとも星生成の現 場では磁 場がそのタイムスケールを決める支 配 的な役 割を果たしていることがわかってきた。
一方で地球磁気圏は太 陽 風から地 球 大 気を守ると同時に、その相 互作用で強力な粒 子 加 速を生み、地 球の上 層 大 気に大きな影 響を与えている。
地球周辺の磁場、宇宙 生 成にかかわる磁 場 。
2つの方向から磁場の果たしてきた役割を考える。

部で働いていることが知られているが、我々の銀河系も角運動量をもつため同様の現象が起こるであろう。オーダーを越えた評
価は難しいが、大雑把に銀河系の回転のタイムスケール（数 億 年）で磁 場の増 幅が生じるとすれば、銀河系が形成されたおよそ 100億年前から現在までに 20桁ほど
磁場を増幅できると計算される。現在の磁場の大きさが数マイクロガウス（数×10 -6

磁場は宇 宙の起源を紐解くメッセンジャーの歴史の中で最初に生成されたと考えらの熱輻射の偏光を高解像度で全天観測

ガウス）程度なので 10 -25ガウスほどの磁場れる大スケールの磁場の起源についてのし、銀河系全体にわたって磁場が存在しが銀河の大きさ10kpc （pcは距離の単位

市 來 淨 與 素粒子宇宙物理学専攻准教授

筆者らの研究を紹介したい。

ていることを明らかにした（図 2）。磁場のでおよそ 3光年）という大スケールにわたっ

銀河系に磁場が存在することは古くか

大きさは地磁気の 10万分の 1（マイクロガて銀河系形成時に存在していればよいと

ら知られている。個々の星々がバラバラのウス）ほどと見積もられている。とても小さ

考えることができる。

磁場をもつだけでなく、銀河系全体が一つい値のように思われるかもしれないが、実種磁場の起源については大きく二つにの磁石のようにみえているのである。

は星間空間ガスの運動エネルギーに匹敵分けることができる。一つは天 体 物 理 的するほどのエネルギーであり、動力学的にな起 源であり、先に銀 河や星 が 誕 生し、重要な位置を占めている。

そこから天 体の活 動により磁 場が生まれ

マイクロ波の帯域では、宇宙空間に広がるミクロンスケールのダストの粒からの熱

Kiyotomo Ichiki

はいつ、どのように発生したものなのであろ

宇宙は磁場に満ちている。コンパスを持ることが知られており、さらに大きな銀河やうか。とくに、銀河より大きなスケールでのてば地 球が巨 大な磁 石であることを感じ

銀河団という非常に大きな天体スケールで磁場の起源は宇宙における未解決問題とることができるし、オーロラなどの美しい現も、磁場が大局的に存在することが観測して残されている。本 稿では宇 宙の大ス

象をもたらしてくれる。最も身近な恒星であ的に知られている（図 1）。これらの磁 場

ケールにおける磁場観測の現状と、宇宙08

特 集 ＿ 宇 宙は磁 場に満ちている

この銀河磁場はいつ、どのように生成さると考えるアイデアである。もう一 つは宇ともよばれるダストの粒はわずかに磁力をれ、現在のような姿になったのであろうか。

宙 論 的な起 源で、銀 河や星が誕 生 するもっており、銀河磁場を感じてその方向が現在の標準的なシナリオは、まず何らかの前から磁場が存在した、というアイデアで揃う。そのため、その放射はわずかに偏光機構で銀河磁場のもととなる種磁場が形ある。2010 年 代になり後 者のアイデアにすることが知られており、従ってその偏光成され、銀河のダイナモ機構によって増幅・関係する面白い観測結果が発表された。

を測ることにより銀河磁場の向きを知ること維持されているとするものである。ダイナモ

宇 宙 大 規 模 構 造におけるボイドとよばれができる。近年の宇宙マイクロ波背景輻射

は磁気流体力学的な不安定性により、ガる空洞構造の中にも磁場が存在するとい（CMB）の観測衛星PLANCKは星間塵

スの回転エネルギーを磁場のエネルギーうのである。

1976年生まれ。20 0 0年京都大学理学部卒業、20 05年東京大学理学系研究科博士課程修了。博士（理学）取得。20 05年日本学 術振興会特別研究員（国立天文台・東京大学ビッグバン宇宙国際研究センター）、20 08 年名古屋大学理学 研究科助教、2015 年
名古屋大学基 礎 理論研究センター講師を経て、2017年より現職。専門は宇宙 論、宇宙物理学。

る太陽の表面活動も磁場に支配されてい磁場はいつ生成されたのか的な黒体放射が観測されている。星間塵

図2

PLANCK衛星が取得した銀河磁場の地図

カラースケールは星間塵からの放 射の強さを表し、線で表された構造は偏光の情報から読み取られた磁場の構造を表している。銀河のスケールにわたって磁場が揃って存在していることがわかる（Planck 2 015 results I ., A&A594 , A1（2 016））。

No.39 autumn _ winter 202009

特集 _宇 宙は磁 場に満ちている

星や銀河はなくても磁場はある

陽電子が今度は宇宙に満ちているCMB

宇宙論的摂動による磁場生成に密度揺らぎが存在しているということは、

ボイドとは何であろうか。宇宙論の標準

光子を玉突きして二次的なガンマ線を放宇宙には星、銀河、銀河団、大規模構光子の多いところと少ないところが存在し、モデルである冷たい暗黒物質による構造

射する、という現象を起こす。この際、途中造、ボイドなど、さまざまなスケールで構造

ちょうど高 気 圧から低 気 圧に向かって風形 成シナリオでは、銀 河や銀 河 団などのに磁場がなければ観測されるガンマ線はが存在している。これらの多様な構造は、が吹くように、光子流体の風が吹いている

天 体は、フィラメントとよばれる暗 黒 物 質

すべてブレーザーから真っ直ぐやってくる

宇宙誕生時に発生したインフレーションとことになる。電子と陽子はこの光子から圧の網目状の構造に沿って形成・進化するが、磁場が存在すると電子・陽電子対がよばれる急激な加速膨張期に量子的に生力を受けるが、電子の方が圧倒的に軽いと考えられている。このような宇宙の大規

ローレンツ力によってランダムに曲げられて成された密度揺らぎ（濃淡）がその後重ことから運動にわずかな違いが生じ（電模構造は、物質の密度の大きいところはさしまうため、一部のガンマ線がボヤッと広力不安定性によって成長し形成したものと流）、磁場が生成される（図 4）。ただし、

らに物質を集めるという重力の性質によっがってやってくることになり、また地球に到考えられている。この濃淡は宇宙マイクロ宇宙に存在する密度揺らぎを線形近似のて生み出されるもので、その見た目から泡達するまでの経過時間が長くなる。このた

波背景輻射の温度揺らぎとして実際に精範囲で解釈したのでは、磁場生成の鍵を宇 宙ともよばれる。泡の内 側の空 洞 部 分

め、途中に磁場が存在するとガンマ線が密に観測されており、宇宙の至るところに握る「渦型電流」が生じえない。磁場生はボイドとよばれ、10Mpc以上にわたって

予想よりも暗くなることから、磁場に制限が存在していたことがわかっているので、こ成を記述するためには、理論を高次まで

星・銀河などの天体がほぼ存在しない巨与えられるのである。

の濃淡から磁場が生成されていれば、や展 開、すなわち摂 動の 1 次 式ではなく、2はり磁場も宇宙のいたるところに存在する

次式、3次式などまで取り込んだ複雑な計と考えたのである。

算が必要である。

大な領 域である。このような空 間に磁 場

最初のボイド磁場検出に関する発表こがあるとすれば、それは銀 河 起 源とは考そ先を越されてしまったが、筆者らはこのえにくい。

過程に早くから興味をもち、ガンマ線観測

そこで筆者らは、宇宙マイクロ波背景輻

この計算には時間がかかったが、最初

衛 星 Fermi の 複 数 のブレーザーについ

射の計算に用いられる宇宙論的摂動論ののアイデアの提案から10年ほどして、当時このように何もない空間に磁場が存在す

-20

図5

化石磁場のエネルギースペクトル

黒線は精密に観測されている密度揺らぎから不可避的に生成される磁場のスペ クトルを表しており、宇宙に存在すべき最低限の磁場の強さを表す。他の色の曲線は、標準宇宙論モデルを超えたモデルから示唆される磁場のスペクトルを表している。

ることがどのようにしてわかるのかについてのデータを用いて、やはり10 ガウス以枠組みを応用することで、理論的な曖昧さ

研 究 室の大 学 院 生であった嵯 峨 氏（現て説明したのが図 3である。遠方の宇宙に上の磁場がボイドには存在しているというのない、我々の宇宙に存在すべき種磁場

京都大学基礎物理学研究所研究員）がの起源に応じて特徴的な空間スケールをなシナリオでは、観測されている宇宙の一はブレーザーとよばれる、10TeV （1TeV

結論に達した。ボイドのように近傍に天体の大きさを予 言するための定 式 化を行っ計算に成功し、磁場の大きさは宇宙年齢もつため、その化石である磁場の空間構

様等方性からのずれが 10万分の 1程度のは電子を１兆ボルトで加速したときのエネがない空 間にも磁 場が存 在しているとはた。考える物理過程は以下のようなもので100万年の頃に 10Mpcスケールで 10 -23 ガ造を詳細に観測できれば、逆に「真空のオーダーであることに対応して、磁場のエルギーに相当）にも及ぶガンマ線を発する

どういうことであろうか。その問いに答えある。宇宙の誕生後 38万年後までは、すウスともとまった（図 5）。この磁場はボイド

相転移」の謎を解き、初期宇宙の物理のネルギーは宇宙の輻射のエネルギーの 10

天体が存在している。このガンマ線は銀河るべく筆者たちが取り組んできた研究が、べての物質は電子・陽子に分解され、そに存在する磁場を直接説明するには小さ

有力な情報源となる（図 5）。もちろん、渦

万分の 1程度、すなわち 10 -9ガウス程度以間空間の赤外線光子と出合うと、高エネル

宇宙論的摂動に基づいた磁場生成理論

して大量の光子が電磁相互作用をしながいものの、宇 宙 論 的 摂 動 論に基づいた、型の揺らぎは磁場だけでなく宇宙マイクロ下の磁場の存在なら許されるということにギー電子・陽電子を対生成し、その電子・である。

らプラズマとして存 在している。そのなか宇宙の至るところに必ず存在すべき、磁場波の温度・偏光揺らぎを新たに生成するなっている。つまり10 -22ガウス以上、10 -9ガの初期条件とよべる重要な結果である。

ため、その観測からその大きさには制限が

ウス以 下の宇 宙 初 期 磁 場が観 測されれかかる。筆者らの解析によると初期宇宙プ

ば、量子揺らぎや、ビッグバンそのものなど

ラズマ中の渦型揺らぎを介した磁場生成

から磁場が直接生成された証拠となる。

図3

ボイド磁場観測の模式図

遠方の高エネルギー天体から発 せられるMeV領域のガンマ線は直接地上まで到達する。一方、TeVほどのエネルギーがあると、主に星から発 せられた銀河間の赤外線と反 応して電子陽電子の対生成を起こす。この過程の平均自由行程
はMpc程度あるので、対生成はフィラメントから離れたボイド領域で起こると考えられる。生成された電子陽電子対は磁場によって方向を曲げられながら、周囲の宇宙マイクロ波背景輻射（CMB）を逆コンプトン散乱して、二次的なGeVガンマ線を放射する。このためGeV領域では高エネルギー天体のまわりにぼんやりとしたハローが観測されるが、磁場が強いとこのハローが広がって暗くなることから磁場の情報がえられる。
（https://www.cta- observatory.org/whatpropogation- of-energetic-light-can-tell-us/ にある図を改変。Copyright CTA）。

図4

宇宙マイクロ波背景輻射温度揺らぎの地図と付随する磁場の想像図

WMAPによって得られた宇宙マイクロ波背景輻射温度揺らぎの地図とその拡大図。赤色は光子が多いところ（高気圧）、
青色は光子が少ないところ（低気圧）に対応し、そこに吹く光子の風によって磁場（図中の白線）が生成される。

さまざまな磁場生成と宇宙の情報
標 準 宇 宙 論モデルの枠 組みで確 実に

では、宇宙再結合の時期に 10 ガウスを存在するはずの宇宙磁場は算出できたが、越えていないことが明らかになっている。

ていくことが期待されている。名古屋大学

磁場生成の本質は渦型の揺らぎを初期宇

この制限は、磁場のない宇宙から始めも参加している次世代TeVガンマ線望遠

宙プラズマ中に誘起させることにあるので、て、宇宙論的な渦型摂動を誘起し、そこか鏡（CTA）ではさらに多くのブレーザーなほかにもさまざまな可能性が考えられる。

ら磁 場を生 成するという過 程についての

どの高エネルギー天体を検出することで、

たとえば、初期宇宙において「真空の相み適用できるもので、最初から磁場が存在

ボイド磁場の普遍性や強度についての情転移」とよばれる素粒子の場の理論に基している場合にはその限りではない。では、報をもたらしてくれるだろうし、次世代大型づく現象が起きたとき、その名残として「宇宇宙が誕生したとき、宇宙の密度の濃淡

電波干渉計計画（SKA）では銀河磁場

宙紐」や 「位相欠陥」とよばれるような構とともにはじめから磁場が存在していたとの精密な観測と、銀河間磁場・ボイド磁場造が生まれる可能性が高く、これが存在考えるシナリオはどうだろうか。たとえば、イとの関係についての知見が得られるだろう。

すれば、宇宙プラズマに渦型の摂動が誘

ンフレーション期に量子揺らぎから磁場を観測される磁場から、宇宙誕生直後の様起される。したがって「真空の相転移」が生成するアイデアや、インフレーション後の子についての情報が得られるかもしれない。

起こった証として磁場が生成されているは宇宙再加熱期（いわゆるビッグバン）での

今 後 10 年 間の時 間スケールでの天 文 観

ずである。これらの渦 型 摂 動はそれぞれ磁場生成などが議論されている。このよう測の進展に期待している。

宇 宙 論 研 究 室 ウェブ ペ ージ

10

特 集 ＿ 宇 宙は磁 場に満ちている-22

宇宙の磁場に関する情報は今後も増え

http://www.c.phys.nagoya-u.ac.jp/c-lab/index.html
No.39 autumn _ winter 202011

特集 _宇 宙は磁 場に満ちている

人工 衛 星でジオスペース最高エネルギー
粒子が 生まれる現場を見る

太陽風（超音速プラズマ流）
オーロラ

数周期数分程度の電磁流体波動との相放射線帯

互 作 用が起こると、（1）と（2）の不 変 量

衝撃波面を保存した状態で起こる加速や減速（ベータトロン加速）が生じ、その結果として、放三 好 由 純 宇宙地球環境研究所教授

磁気圏界面

射線帯の電子の変化が起こると考えられプラズマシート

内部磁気圏てきた。このベータトロン加速は、木星や土星といった磁化惑星に存在する放射線帯についても起こる基本過程として理解され太陽風と地球磁場の相互作用や、高速の太陽風の地球への到来に伴っ宙でもっとも危ない場所

地球周辺の宇宙空間を、「ジオスペースて、し ばし ばジオスペースは「宙の嵐」

ジオスペースは、最も身近な宇宙空間（Geospace）」とよぶ。日本 語で は 宙 空（Geospace Storm）とよばれる状態になであり、そしていまや生存圏ともなって（ちゅうくう）や宙（そら）とよばれることり、ジオスペースの電 磁環 境は大きく乱いる。磁 気 圏 の中の、国 際 宇 宙ステーもある。ここは、何もないように見えても、れ、地 球 表 面の磁 場 強 度 が大きく減 少エネルギーの高い荷 電 粒子が地球の磁ている。
一方、今世紀になって、放射線帯の電図1子の変化の時間スケールは、上記の電磁ジオスペースの概念図

ションが飛行する高度から気象衛星「ひ図の左方向にある太陽からは超音速のプラズマ流である太陽風が吹き出している。太陽風と地球の磁場との相互作用によって、磁気圏界面という境界領域が形成され、それより地球側に地球磁気圏と呼ばれる磁場の勢力範囲が形成される（©ERGサイエンスチーム）。

あることが指摘され、未知の過程が関与しし、オーロラが数日間にわたって爆発的まわり」が いる静止軌 道の間の 空 間は

いった影 響を及ぼ すため、宇 宙 での活て 100～1000倍くらいに増えるのである。

ていることが指摘されるようになってきた。

場の中で飛びまわっている場所である。

に輝く。同時に、地表で強い電流が流れ「内 部 磁 気 圏」とよばれ 、そこには「放動を行う上で 最も脅威となっている。人

これは、ジオスペースで、電子を消失させ、プラズマ中には、さまざまな種類の波動が

図 1に示すように、太陽からは太陽風とて送電線ネットワークに影 響が発生した

射線帯」が 存在する。放 射線帯は、ジオ

間活動と密 接にかかわる太 陽地球 系科

そして再び生成する過程があることを意味

存在し、特に電子に関わる波動として、ホよばれる超音速プラズマ流が、つねに吹り、通信障害が起きたりするなど、私たちスペースで 最 高エネルギーの 粒子 群か

学 のことを「宇 宙 天気 研 究」とよぶが、している。

イッスラーとよばれる、周期が数百マイクロ

き出している。この太陽風と地球の磁場の生活にも影響を及ぼす。ジオスペースのら 構 成されて いる。これらの 高 エ ネル

放 射線帯の研究は、宇宙天気 研究におとの相互作用によって、磁気圏とよばれる放射線（高エネルギー荷電 粒子）が著しギー粒子（放射線）は、人工衛星の誤動

いて最 重要課 題とされている。また、放由行程 が太陽と地球の距離ほどもあり、相対運動をしており、高速の電子から見て領域がつくり出される。太陽面での爆発く増加するのも、この「嵐」のときである。

作、故障、さらに宇宙飛行士の被ばくと射線帯の高エネルギー粒子量の変化が粒子が希薄であるため、衝突がない無衝

ドップラーシフトした波動の周波数が、電予測できれば、宇宙で活動する際のリス

突状態となっている。では、無衝突状態に子が磁力線のまわりをまわる周波数（サイクを下げることにつながっていく。現在、

おいて、どのように粒子の消失や加速が引

クロトロン周波数）の整数倍となったときに、

放射線帯そしてジオスペース嵐の変動予き起こされているのだろうか。プラズマ中にサイクロトロン共鳴とよばれる波動と粒子の測を目指した「宇宙天気予報」が世界各

は、さまざまな周波数帯にわたる電磁場の相互作用によって、波動と粒子の間でエネ国で進められている。

変動、すなわちプラズマの波が存在しておルギー交換が起こる。

ジオスペースでは、荷電粒子の平均自＊1り、この電磁場が重要な役割を果たしていこの共鳴が起こると、上記の（1）～（3）

衛星「エクスプローラー」によって 195 0

ると考えられている。磁場中の荷電粒子は、のすべての不変量が破れる状態が起こり、

年 代 末 に発 見され 、発 見 者 であるVan（1）磁力線のまわりをまわるサイクロトロン

電子のエネルギーは大きく変化する。このAllen博士にちなんでVan Allen帯とも運動、（2）磁力線に沿って往復運動する過程では、エネルギー交換は双方向であよば れて い る。発 見 時 の 博 士 の「Myミラー運動、（3）経度方向をドリフトするドり、波動が減衰して電子が加速することもGod. Space is Radioactive!（ な ん て

リフト運動に伴って三つの独立した断熱不あれば、逆に電子が減速して波動が成長ことだ、信じられない。宇宙は放 射能で変量＊2が存在する。このような荷電粒子と、することもある。また、図 2のように、ホイッス

科学の幕開けを象徴するものとして今に伝えられている。

無衝突プラズマの不思議な世界「宙」の嵐が起こると、放射線帯は不思■ 無衝突状態では、粒子間衝突は起こらない
背景熱的電子（数電子ボルト）

高温電子（数十キロ電子ボルト）

背景熱的電子（数電子ボルト）

高温電子（数十キロ電子ボルト）

12

特 集 ＿ 宇 宙は磁 場に満ちている

励起まであった放射線帯電子、すなわち高エネ
ルギーの電子がすべて消え、その後、嵐が収まるにつれて電子が再び出現し、そし

相対論的電子（数百キロ、数メガ電子ボルト）■ プラズマ波動を介して、異なるエネルギー帯の粒子群が結合する

議な変化を示す。嵐の始まりとともに、それ

Yoshizumi Miyoshi

秒の波動が知られている。粒子と波動は

ちなみに、放射線帯は、米国初の人工満ちていたのか）」という言 葉は、宇 宙1973 年生まれ。20 01年東北大学大学院理学 研究科修了。博士（理学）。日本 学 術振興会特別研究員( PD)、米国ニューハンプシャー大学客員研究員を経て、20 0 4年より太陽地球環境研究所（現宇宙地球環 境研究所）助手／助教、准教 授を経て、2018 年より現職。JAXA ERG（あらせ）衛星計画のProject Scientist。オーロラの超高速撮像観測や、データ同化、機械学習を活用した研究にも従事。専門は、宇宙空間物理学、地球惑星磁気圏物理学。

流体波動との相互作用よりも速い場合が相対論的電子（数百キロ、数メガ電子ボルト）
加速

ホイッスラー波動（プラズマ波動）
背景媒質として、伝搬や共鳴条件をコントロール

図2

内部磁気圏におけるエネルギー階層間結合過程

異なるエネルギー階層の粒子群が、プラズマ波 動を介して結合している。

No.39 autumn _ winter 202013

特集 _宇 宙は磁 場に満ちている

ホイッスラー波動[nT 2 /Hz]

[kHz]

あらせ衛星

発生中

30 秒

波動の強度

周波数

発生前

電子の数

[keV ]

ホイッスラー波動と相互作用が起こる場所[/cm 2 keV str sec]

電子のエネルギー

電子数の増大＝新たな高エネルギー電子の生成

電子の到来方向 ( ピッチ角 =deg)
0 度、180 度：磁力線に沿った方向 90 度：磁力線に垂直の方向

オーロラ観測ネットワーク

図3

磁気圏で観測する「あらせ」衛星の想像図

ホイッスラー波 動（波線）と電子を磁気圏で観測し、その地球側でオーロラが輝いている様子を示している。地球 上のピンク色の図は、オーロラの光学観測ネットワークを示す（© ERGサイエ
ンスチーム）。

図 4 「あらせ」が観測した電子が加速される瞬間の様子（a）ホイッスラー波 動の周波数スペクトル（周波数ごとの波の強さ）の時間変化。
横軸が時間、縦軸が周波数、時間と周波数に対応する波動の強さを色で表す。
（b）
ホイッスラー波動出現前の電子のエネルギー分布、（c）ホイッスラー波動出現中の電子のエネルギー分布。
（b）と（c）はともに、横軸が磁場と粒子の到来方向のなす角度。縦軸が電子のエネルギー、電子の数を色で表す（Kurita, Miyoshi et al.,Geophysical Research Letters, 2018を改変）。

波動と名付けられており、「宙のさえずり」

ルギー交換過程の直接計測にも成功する

一方、木星は地球に対してはるかに強いとよばれている。このとき、「あらせ」と磁力など、ジオスペースの描像を大きく変えつ

放射線帯をもつことが知られている。
「み線でつながったカナダ上空では、明滅するつある。宇宙地球環境研究所には、「あらお」、「JUICE」、そして「あらせ」との観オーロラが観測されており、コーラス波動とせ」衛星のサイエンスセンターが設置され、測データの比較から、太陽系の各惑星磁の共鳴によって、磁力線方向に変調されすべての観測データが集約され、データの気圏における粒子加速現象や電磁場変た電子が脈動オーロラを起こしていること

標準化や付加価値のついた高次科学デー

動の発現に、固有磁場の強さや大気圏、が実証された。この過程を、さらに詳しく調タの製造を行った後、世界中の研究者に

電離圏の果たす役割が明らかになることべるために、筆者らは、北極域にオーロラ

公開している。

が期待されている。

超高速撮像ネットワークを整備してきた（図6）。

ここで紹介した散乱電子は、高度数十「あらせ」とこれらのオーロラ高速撮像とのkmの中間圏、成層圏とよばれる領域まで

比較研究から、数秒ごとに明滅する脈動

降り込み、オゾン層を破壊することが指摘

オーロラ、その中で 1秒間に数回瞬くオーされており、宇宙地球環境研究所でも展

ロラの変調が、この「さえずり」の変化に開されている中層 大 気 観 測や超 高 層 大

1対 1で完全に対応していることが明らか

気観測と、「あらせ」との共同研究に大きげ、放射線帯、そしてジオスペースの変動いる事例である。オーロラは、ジオスペースになった。

な注目が集まっている。また、2020年代に

ルギーの電子であるが、励起したホイッス

現象の直接観測をスタートさせた。特に「あの電子が地球の超高層大気に降り込んで「あらせ」は、宙のさえずりがオーロラの瞬は、世界で初めて磁気圏面を可視化する

ラー波動は、よりエネルギーが高い電子をらせ」は、小型・軽量化と耐放射線向上と起こる発光現象である。オーロラには、いくきをつくることを世界で初めて実証した。こ

X線望遠鏡衛星「GEO-X」や、極域のオー加速する。つまり、粒子と波動の共鳴を介いう相反する困難な課題を独自の技術と工

つかのタイプがあるが、周期数秒で明滅の成果に、世界の多くの研究者から「感動ロラを編隊飛行で探査する「FACTORS」

して、低いエネルギー階層から高いエネル

夫で解決し、放射線帯中において、数十電する脈動オーロラとよばれるタイプのオーロ

した」「長年、待っていた結果だった」と、多衛星なども検討されており、筆者もその実

ギー階層の粒子群へとエネルギーの輸送

子ボルトから数十メガ電子ボルトにいたる広ラは、このホイッスラー波動によって、電子

くの賞賛の声がよせられ、「あらせ」プロジェ

現を目指して活 動を行っている。さらに、が行われている。筆者らは、放射線帯変いエネルギー帯のプラズマ粒子、直流からの向きが磁力線方向へと変調され、そのま

クトメンバーにとっても、大きな励みとなった。

2025年には、日欧による「ベピ・コロンボ

動を理解する基本的な概念として、波動と10メガヘルツまでの広い周波数帯の電場とま磁力線に沿って大気へと降り注いで発粒 子の相 互 作 用によって、異なるエネル

磁場観測に世界で初めて成功した。

生すると考えられてきた。しかし、変調を受

ジオスペース、年には日欧による「JUICE」探査機が木けるのは、ロスコーンとよばれる磁力線からそして惑星磁気圏の新しい観測へ

星系に到着し、水星や木星磁気圏におけ数度以内ときわめて狭い角度範囲を移動「あらせ」は、2016年の打ち上げ以来、る電子の加速過程の研究が進められる。

「あらせ」はまず、ホイッスラー波動によする電子だけであり、従来の検出器では、順調に観測を継続しており、多くの新しい

水星は地球に比べて固有磁場が弱く、まる電子加速を観測した。図 4に、観測されそのような小さな角度を分解することがで成果をあげ、プラズマの波と粒子とのエネた電離圏や大気圏をもたない惑星である。

このように、放射線帯の変動には未知た電子の速度空間分布の変化を示す。左きないために、実証されていなかった。
「あの加速機構が存在していることが指摘さ側がホイッスラー波動出現前、右側がホイッ

らせ」は、これまでにない高い角度分解能

ギー階層の粒子群が相互 作用する「エネルギー階層間結合」を提案した。

宙の嵐へ突入する「あらせ」の挑戦「あらせ」が見たものと聴いたもの

モデルにおいても定 量 的な予 測に大きなが電子を加速して、エネルギーが高い電下は磁力線方向以外の電子の分布を示困難が生じていた。

子の量が増加したことを意味する。このよす。磁力線方向の電子は、波動にあわせこの状況を打破するために、2012年にうにホイッスラー波動によって、電子が加速てその強度が変わっていることがわかる。

米国 NASAは、Van Allen Probesとよばされている実証的な証拠は、世界で初めて一方、磁力線方向以外の電子は、変化がれ る 人 工 衛 星 を、そし て 2016 年 末 に「あらせ」で得られたものである。

見えていない。このホイッスラー波動は、可JAXA宇宙科学研究所は、「あらせ」とよ

二つ目の例は、同じくホイッスラー波動

聴帯の電波であり、音声信号に変換する

ばれる人工衛星（図 3）をそれぞれ打ち上が、電子を散乱させてオーロラを起こしてと小鳥の声のように聞こえるため、コーラス

2017 年 3 月 27 日

10:50

11:00

11:10
図 6 「宙のさえずり」と「オーロラの瞬き」の 1対 1対応

図 5 「あらせ」が観測した「宙のさえずり」が電子を散乱させる瞬間の様子
あらせ 衛星が観測したホイッスラー波 動（上段）、ロスコーンの中の電子（中段）、ロスコーンの中の電子（下段）。上段は時間‐周波数の関係を表し、色が波 動の強度を示す。中段と下段は、縦軸が電子のエネルギー、色が電子のフラックスを表す（Kasahara, Miyoshi et al., Nature, 2 018を改変）。

宇 宙 地 球 環 境 研 究 所 総 合 解 析 研 究 部 ウェブ ペ ージ

14

特 集 ＿ 宇 宙は磁 場に満ちている

ホイッスラー波動：さえずり[[/mV 2 m 2 Hz]がわかる。図 5の中は磁力線方向、図 5のオーロラのまたたき

波動の強度

ネルギーに一致しており、ホイッスラー波動「あらせ」が観測した「宙のさえずり」の音声ファイル
https://ergsc.isee.nagoya-u.ac.jp/outreach/sound.
shtml.ja
ERGサイエンスセンター（JAXA宇宙科学研究所と宇宙地球環境研究所の共同運営で、宇宙地球環境研究所に設置。
「あらせ」の全科学
データファイルを製造、アーカイブし、世界に公開している）
https://ergsc.isee.nagoya-u.ac.jp/[Hz]ていないため、放射線帯の宇宙天気予報

地球大気に降り込む電子

波動の周波数間欠的に出現したり消えたりしていること

参照動画「あらせ」が観測した「オーロラ」と「コーラス」の動画・音声ファイル
https://static-content.springer.com/esm/
art%3A10.1038%2Fs41598-020-59642-8/
MediaObjects/41598_2020_59642_MOESM3_
ESM.mov

オーロラ画像の南北断面

ラー波動の周波数特性から予想されるエ

磁力線方向以外の電子の数

また、鍵となる物理メカニズムが実証され[/cm2 keV str sec] [/cm2 keV str sec]

観測したホイッスラー波動を示す。波動が磁力線方向の電子の数現した成分は、同時に観測されたホイッス[pT 2 /Hz]

きわめて困難であり、実現してこなかった。

波動の強度

図5に、
「あらせ」が高度3万km付近で、[keV ]

いない成分が出現している。この新たに出エネルギー

障害や、計測する信号への雑音混入から[keV ]

接観測することに世界で初めて成功した。

ホイッスラー波動

エネルギーをもつ電子分析器を搭載し、この電子を直破線で示すように、左側の図には見られて[kHz]

スラー波動出現後の変化である。
（C）の

周波数

れていたが、放射線帯の中での人工衛星による科学計測は、放射線による衛 星の／みお」探 査 機 が 水 星 磁 気 圏に、2029＊2 断熱不変量
外部パラメータをもつ系において、外部パラメータが時間的にゆっくりと変化する場合に保存する量。

オーロラの発光強度

ラー波動を励起するのは、比較的低エネ＊1 平均自由行程
粒子が他の粒子に衝突してから、次の粒子に衝突するまでの距離。平均自由行程が長ければ長いほど、他の粒子との衝突確率が低い、すなわち無衝突状態として扱うことができる。

北米で観測されたオーロラの瞬き（上段）と、「 あらせ」衛星が観測したホイッスラー波 動（下段）。上段は、横軸が時間、縦軸がオーロラの全天カメラデー
タの南北断 面、下段は縦軸が波 動の周波数、色で波 動の強さを示している（Hosokawa, Miyoshi et al., 2 02 0, Scientific Reportsを改変）。

https://is.isee.nagoya-u.ac.jp/
No.39 autumn _ winter 202015

理 の 先 端を いく Ⅰ（a）

氷河 変 動を支配するもの
藤 田 耕 史 地球環境科学専攻教授

図2

（b）

氷河変動の地域差

より縮小傾向にあるものの、その縮小速ある。しかしながら、アジア高山域の標高

チベット高原を中心とするアジア高山度には大きな地域差があることがわかっ

5000m以上では、気候変動を議論できる域には多くの氷河が 存在している。これてきた（図 1a）。なかでも、カラコルムからような長期観測データは限られており、いらの氷河が現在どう変化しつつあるかを

西崑崙にかけての地域では、氷河が微増

ずれの主張も決め手に欠いている。

把 握し、その原因を理 解することは、数していることが複数の研究で指摘され、「カ十億の人口を有する周辺諸国にとって、水

ラコルムアノマリ」として認識されている。

資源管理の観点から重要であると認識さではなぜ、カラコルムの氷河は微増し氷河変動の地域的な違いを議論するたれている。氷河は人の生活圏から離れてているのか。この疑問に対しては、「このめには、どれくらいの大きさの氷河が、どいるため、アジアでの現地観測例は極め

地域では若干ながら寒冷化が進行しておこに、どの標高にあるか、といった基本情て限られていたが、2010年頃から人工衛

り、氷河の融解が抑制されている」と主張

報を含む、氷河インベントリが必要となる星データを利用した研究が急増し、アジする研究もあれば、「降雪をもたらす冬のが、世界を網羅するデータベースが整備さ

アの氷河は全体としては温暖化の影響に低気圧の頻度が増えている」との主張もれたのは 2012年のことで、世界中の研究

図 3 氷河の気温感度に影響する三要因の分布
氷 河の 気 温 感 度の 地 域 差を決 めている 要 因を重 回 帰 分 析 によって 検 討した。夏季 平 均 気 温（0 ℃）、気 温の 年 較差（2 0℃）、降水の季節性（年降水量に対 する夏降 水 量の 割 合、5 0%）で 地 域分けをした。青色のハッチ領域は、すべての要素が「低い気 温 感度」を示す領
域で、パミール～カラコルム～西崑崙に該当する。一方、すべての要素が「高い気温感度」を示す領域（赤矢印）は、ヒ
マラヤから横断山脈にかけての領域に該当する。

氷河の 「感度」を計算する

図1

アジア高山域の氷河変動と感度（a）人工衛星データの解析から得られた、20 0 0～2016年にかけての氷河表面標高の変化速度。赤色が濃いほど氷河は薄くなっている一方、青色は氷河が増えていることを示している。
（b）数値計 算モデルによる、気温変化に対する氷河の質量収支の応答 (気温感度)。同じだけ温暖 化しても、氷河の応答には地域差があることを示している。いずれも緯度経度 1°毎の平均値。

グループがそれぞれ作成した、さまざまな分布が人 工衛星の観測結果の背後にあ入にあたる降雪が減ることに加え、日射に地域のインベントリを寄せ集めたものだっることを示唆している。

対する反射率が下がることで日射をより吸収するようになり、支出にあたる融解が急た。この初期のインベントリは、季節積雪や凍った湖を氷河と誤登録するなど、多く

季節パターンが氷河の振る舞いを決める

増する。一方で、カラコルムに代表される、の問題を含んでいたため、一貫した基準とでは、氷河の気温感度の地域分布を決

冬の降雪が大きな割合を占めている地域

手法による、アジア高山域全域を網羅するめている要因は何だろうか。これを探るた

では、気温上昇によって融解が増えるもの

GAMDAM氷河インベントリ を整備した。

めに、さまざまな気候要素を説明変数としの、日射の吸収を増幅するメカニズムは働

このGAMDAM氷河インベントリと氷て重回帰分析を行った結果、夏季平均気かないため、ヒマラヤに比べると融解の増

＊2

を用い、
「気 温が

温、気温の年較差、降水の季節性などの要

え方が少ない。こういった条件下で降雪量

1℃温暖 化したときに氷河がどれだけ消素が氷河の気温感度を支配していることが増えたことにより、カラコルムアノマリが耗するか」という、氷河の気 温 変化へのがわかった。それぞれの要素の地域分布出現したと考えられる。

応答感度（氷河の気温感度）を計算したをその中央値で分割すると、三要素すべて

現在は、アジアだけでなく世界の氷河のところ、人工衛星から求めた氷河表面のが低感度を示す領域がカラコルムアノマリ

変動とその地域差をもたらしている支配要低下速度とよく似た地域分布を示した（図の地域と重なっていることがわかる（図3）。

因について解析を進めているところである。

1b）。この関係は散布図からもはっきりとモンスーンの影響でヒマラヤからチベッ

見て取れ、氷河の気温感度が小さい氷河

トにかけての地域は、夏季の融解期に降は縮小も小さいか増加していることもあ

水がもたらされる。夏の平均気温と年較差る、ということがわかる（図 2）。このことは、この降水が雪で降るか、雨で降るか、は、仮にアジア高山域が一様に温暖化しさらには気温上昇した際にどれだけの雪ていたとしても、氷河がよく融ける地域もが雨に変わりえるか、を決めている。雪があれば、あまり融けない地域もあり、その雨で降るようになると、氷河にとっての収＊1

河の質量収支モデル

Koji Fujita

埼玉県生まれ。2 0 0 0年名古屋大学理学 研究科で博士（理学）取得。名古屋大学大
気 水圏科学 研究 所助手、同環 境 学 研究 科 准 教 授を経て、2 018 年より現職。2 014
年日本雪氷学会学 術賞。専門は氷河学、気候学。

雪 氷 圏 研 究 室 ウェブ ペ ージ

16

理 の 先 端をいく Ⅰ

氷河変動と感度の関係

図 1の二つのデータを比較した図。横軸は気 温変化
に対する氷河の質量収支の応答（気温感度）、縦軸
は氷河表面標高の変化 速度。気温変化への感度が大きい氷河ほど、大きな表面低下が観測されている。

＊1 GAMDAM氷河インベントリ
GAMDAM はGlacier Area Mapping for Discharge in
Asian Mountainsから。このプロジェクトのリーダー坂井亜規子氏（地球環境科学専攻准教授）は、ガンダム（初期）のファンである。
＊2 氷河の質量収支モデル
気象データを入力値として、氷河の質量の増減を計算す
る数値計算モデル。

http://www.cryoscience.net/
No.39 autumn _ winter 202017

理 の 先 端を いく

Ⅱ

量子アルゴリズムの仕 組み
ルガル・フランソワ 多元数理科学専攻准教授

量子計算とは量子計算の仕組み

は大きな制約もある。それは、同時に全量子計 算は量子力学の原理に基づく新しい計 算「シュレーディンガーの猫」という有名パターンに対してなんらかの計 算ができパラダイムである。1980 年代に提唱され、1990 年代

な実 験がある。それは、箱に閉じこめらたにもかかわらず、そのまま計 算結果をには量子計算の潜在的な能力が明らかになった。特れた 猫が 生きている状 態と死んでいる「観測」すると、一つだけのパターンに対に 1994 年には、与えられた整 数の素因数分 解を求状 態が 1：1で重なり合った状 態をとる不する計 算結果しか得られない。そういうめる問題に対して、量子計算を用いる「ショアのアル

気味な思考実 験だが、量子計 算の基 本

情報は従来のコンピュータでも速く計 算

ゴリズム」という画期的な計 算方法が 発明された。

的な仕組みを実によく表している。

できるので、あまり役に立たない。量子コ

その計 算方法を使えば、現在のスーパーコンピュー従来のコンピュータはすべての情報をンピュータの本当の能力を発揮するため

タよりもはるかに高速にその計算を行うことができ、「0」と「1」で表現し計 算を行い、その情には、観測する前に、求めたい情報（たと現 在の通信の暗 号化に広く使 用されている暗 号の報の最 小 単位をビットとよぶ。たとえば

えば 特定の計 算 結果 や全パターンの計解読もできることから、量子コンピュータの実現を大

20 個のビットを用いて、1048576（=2 20 ）

算結果の周期など）が観測値に現れるよきく促進する発明となった（図 1）。

通りのパターンの中から一つのパターンを

うに、操 作を行う必要がある。その巧妙大規模な量子コンピュータの開発は技術的なハー表すことができる。一方、量子コンピューな操作を「量子アルゴリズム」とよんでいドルが高く、ショアのアルゴリズムのような強力な量

タは「0」と「1」を同時にとることができる（図 3）。

（上）何もせず観測する場 合は各パターンが 確率 1/8で得られる。
（下）求めたい計 算結果（この例の場合は「010」 ）が高確率に観測されるように操作した。

子アルゴリズムの実装にはまだ数十年かかるとみらる特有な「量 子ビット」を用いて計 算をれる。しかし、近年は I BMや Googleなどの巨大な行う。それは、「量子重ね合わせ」という量子アルゴリズムの研究

理能力を凌駕できると期待されている。

IT企業が小規 模の量子コンピュータの開発に成功

現 象で、従 来の計 算と量子計 算の根 本

残念ながら、量子アルゴリズムを設計

私の目指すものは、そういう「良い構造」

しており、I BMは自社以外の研究者も利用できるよ的な違いであり、量子計算の優位性の源することは容易ではない。実は、従来のをうまく利用することにより、新しい量子

うに、自社の量子コンピュータの公開もしている。まとなる（図 2）。

計 算法より高速な量子アルゴリズムは未アルゴリズムを構築し、量子コンピュータ

図 3 量子アルゴリズムの基本的な仕組み（3個の量子ビットの場合）

た、小規模でありながら、特殊な計 算においてはスー

たとえば、20個の量子ビットがあれば、だ数 種 類しか開発されていない。また、の新しい応用先を開拓することである。

パーコンピュータの計 算能力を凌駕するケースも報量子コンピュータは1048576通りのパター

従来のコンピュータで解けない多くの問もちろん、量子コンピュータのキラーアプ

告されている。たとえば、スーパーコンピュータで 1ンを同時に扱うことができ、全パターン

題に対しては、量子コンピュータでも解け

リケーションの発見も目指している。

万年かかる計 算が、Googleの量子コンピュータを用に対して同時になんらかの計 算を行うこる見込みはない。

いて 20 0 秒で 解けた、という論文が 2019 年に発 表とができる。

されている。
量子計 算はもはやSFではなく、量子コンピュータ

量 子アルゴリズムを構 築するために、

しかし、素因数分 解のような「良い構数 理 科 学のさまざまな理 論 的な道具が究極の並列コンピュータと思われるが、造」をもつ特定の問題においては、量子用いられる。巧妙な発想に基づく「美しい」

実は量子コンピュータの情報処理能力にコンピュータが 従来のコンピュータの処

アルゴリズムも多いので、魅惑的な研究分野である。より詳しく知りたい方には、が実現する時代に突入してきた。本 稿ではその最先〈 通 常のビット〉

端の研究分野を少しご紹介したい。

〈 量 子ビット〉

量子アルゴリズムを包括的に紹介するサイト「Quantum Algorithm Zoo（量 子＊」の観覧をすすめたい。
アルゴリズム園）

François Le Gall

18

理 の 先 端をいく Ⅱ

1978年、フランス生まれ。20 0 6年、東京大学大学院情報理工学系研究科博士後期課
程 修 了。博士（情 報 理 工学）。20 0 6 年、科学 技術振興 機構 研究員。20 09 年、東 京大
学 大学院情報理 工学系研究科 特任講師。
2012 年、同特 任 准 教 授。2016 年、京 都大学大学院情報学 研究科特定准教授。2019年から現 職 。専門は 理 論 計 算 機 科 学。近年は特に量 子アルゴリズムの基 礎 理 論の研究に従事。

図1＊ Quantum Algorithm Zoo（量子アルゴリズム園）
http://quantumalgorithmzoo.org/

素因数分解

桁 数 が 増えれ ば 増えるほど 素 因 数 分 解を求 めることが 難しくなる。
10 0 0 桁の場合、スーパーコンピュータを用いても数年もかかり、その困難性が 現 在のインターネットの暗 号通信の安 全 性を保証するが、大規模の量子コンピュータが実現すれば、数千桁の整 数の素因数分 解を数秒で求めることができてしまうため、現在の暗号通信は使えなくなる。

図2

通常のビットと量子ビットの違い

通常のビットは「0」または「1」のどちらかをとるのに対し、量子ビットは「0」と「1」を同時にとることができる。量子ビッ
トは重ね合わせになれる粒子からつくることができる。主流な方式として、光方式（光子の偏光を用いる方法）、電子方式（電子のスピンを用いる方法）や超伝導方式（超伝導回路を用いる方法）などがある。

ル ガ ル ・フラン ソ ワ ウェブ ペ ージ

http://francoislegall.com/index-j.html
No.39 autumn _ winter 202019