294

日本惑星科学会誌 Vol. 20, No. 4, 2011

特集「将来木星圏・土星圏探査計画へのサイエンス：その1」

木星内部磁気圏でのコーラス放射と放射線帯電子生成過程
加藤 雄人 ，土屋 史紀 ，三好 由純 ，三澤 浩昭 ，森岡 昭
1

2

3

22

2011年8月29日受領，2011年10月12日受理．

（要旨）太陽系最大の磁気圏を持つ木星には，数十MeVに達する相対論的電子や数百MeVにおよぶイオンによって構成される放射線帯が存在する．木星放射線帯は従来，磁気圏内を高エネルギー粒子が木星近傍の放射線帯領域まで輸送されることによる供給過程と，その過程で生じる衛星やリングとの衝突等による消失過程とのバランスにより形成されると考えられてきた．その一方で近年，木星内部磁気圏で発生するプラズマ波動であるホイッスラーモード・コーラス放射と，高エネルギー電子との相互作用が，放射線帯形成過程において果たす役割の重要性が注目されつつある．その契機となったのは，地球放射線帯の形成過程に関する研究の展開であった．木星及び地球放射線帯研究の密接な関連を示す最近の研究成果を紹介し，特に衛星IoからGanymede公転軌道の領域を探査することの重要性について述べる．

1. はじめにの影響により，プラズマ流が木星の自転方向の回転に強く支配されている．本稿ではこの領域を内部磁気圏

木星は，直径が地球の 10 倍という惑星本体の巨大さと同様，磁気モーメントで比較して地球の約 2 万倍と呼ぶ．
，内部磁気圏には前述の Io の他，Europa（9.38 RJ）の強力な固有磁場を持つ．磁気圏のサイズを，太陽風，Callisto（26.33 RJ）のガリレオ
Ganymede（14.97 RJ）との境界である磁気圏界面までの距離で考えると，地衛星が存在する．衛星それ自身も興味深い研究対象で球磁気圏では太陽直下点で地球半径（RE=6,378 km）ある一方，その周囲を取り巻く磁気圏プラズマ中では，の約 10 倍であるのに対して，木星磁気圏では木星半他の惑星磁気圏でのプラズマ物理素過程に共通する径（RJ=71,492 km）の 60 〜 100 倍であり，空間スケー様々な現象が生起している．本稿ではその中でも，光ルは太陽系内の固有磁場を持つ惑星の中で最大である．

速の 99% 以上の相対論的な速度を持つ高エネルギー

惑星磁気圏の勢力範囲は，吹き付ける太陽風の動圧と電子が存在する領域：放射線帯の形成過程と，内部磁それに抗する磁気圏側からの力のバランスによって定気圏で発生するプラズマ波動・コーラス放射についまるが，木星磁気圏においては，強力な固有磁場によて，Galileo 探査機による観測結果を示しながら述べる．

る圧力に加えて，磁気圏内に存在する重イオンを豊富

木星の放射線帯の形成過程は，将来の木星探査計画にに含んだプラズマの圧力が支えている [1]．このプラおいて重要な研究対象の一つとして挙げられるとともズマの主な供給源は，木星磁気圏の内部深くに存在すに，地球を含む惑星の磁気圏に共通する物理過程である衛星 Io（公転軌道半径：5.89 RJ）である．また木星

り，宇宙プラズマ中での普遍的な粒子加速過程の本質は，約 10 時間という短い周期で高速に自転しており，的理解に繋がる課題である．

プラズマのダイナミクスに大きな影響を及ぼしている．
実際，木星から約 30 RJ までの領域は強大な固有磁場
1. 東北大学大学院理学研究科 地球物理学専攻
2. 東北大学大学院理学研究科附属 惑星プラズマ・大気研究センター
3. 名古屋大学 太陽地球環境研究所
yuto@stpp.gp.tohoku.ac.jp■2011遊星人Vol20-4.indd294

2. 木星磁気圏と放射線帯
放射線帯とは，惑星近傍の宇宙空間において MeV
6を超える相対論的エネルギーを持つ粒子が存（10 eV）

2011/12/08

20:31:27

木星内部磁気圏でのコーラス放射と放射線帯電子生成過程／加藤 他

295

在する領域である．地球の放射線帯は 1958 年に発見方）
から磁場の強い領域（惑星近傍）まで輸送した場合，され Van Allen 帯と名付けられたが，木星の放射線帯

磁場強度の変化に応じて粒子のエネルギーは上昇するもほぼ同時期にデシメータ帯の電波観測により発見さ（ベータトロン加速）．この輸送は，電磁場の擾乱と粒れている．数百 MHz から GHz 帯で観測されるこの電子との相互作用によるものと考えられており（動径方波放射は，放射線帯電子が木星の磁力線の周りをサイ向拡散と呼ばれる），電磁場擾乱の起源として地球磁クロトロン運動することにより生じるシンクロトロン

気圏では太陽風や環電流の変動を起因とした MHD 波放射である．発見以後，定常的な観測が続けられ，年動との相互作用が考えられている．一方，木星内部磁単位の長期変動から数日スケールの短期変動まで様々気圏では太陽風の影響をほとんど受けないとされておな時間変動を示すことが明らかとなっている．木星内

り，その代わりに相対論的電子の輸送過程を担うのは，部磁気圏には相対論的エネルギーを持つ粒子が広く分磁気圏プラズマを貫く磁力線の根元にあたる木星電離布しており，粒子フラックスのピークは木星のごく圏領域での，中性風と電離圏プラズマとの相互作用に近傍（2 ～ 4 RJ）にある．木星の放射線帯と言った場合，よるダイナモ効果であると考えられている [2,3]．中性

その位置は粒子フラックスのピーク周辺の限定した領風により木星電離圏のプラズマが磁力線を横切る方向域を指すことが多いが，木星内部磁気圏は相対論的なに引きずられ，その結果生じるダイナモ電場の擾乱に粒子に満ちていると言える．

よって，磁力線を介して繋がる磁気圏プラズマの動径

木星磁気圏の奥深くに存在する放射線帯電子は，ど方向内側への輸送を引き起こす．この動径方向輸送にのような物理過程を経て作り出されているのだろう

より木星放射線帯の電子が輸送・加速される過程で，か．地上からのシンクロトロン放射観測結果の蓄積の相対論的電子の消失を担う要素と位置づけられてきた

他，1970 年代の Pioneer 10 号・11 号および Voyager 1のが，シンクロトロン放射を放出することによるエネ号・2 号ならびに 1992 年の Ulysses 探査機によるフラルギー損失，木星の衛星およびリングとの衝突，およイバイ観測，さらに 1995 年から 2003 年までの Galileo

びプラズマ波動との相互作用である．

探査機による木星内部磁気圏での直接観測を経てなお，木星の内部磁気圏にはガリレオ衛星に加え，Io のその過程は未だ多くの謎が残されている．一方で，直公転軌道より内側に4つの衛星（Metis，Adrastea，接観測結果の蓄積という面からはより有利であるはずAmalthea，Thebe）が存在する．また，木星の自転赤の地球放射線帯の形成過程に関しても，1990 年代か

道面 :1.3 〜 3.1 RJ の領域にはダスト粒子がリングを形ら 2000 年代にかけて行われた観測研究の結果，従来成している．相対論的電子は木星磁気圏中を動径方向の定説を覆す観測事実が明らかとされ，その後の観測へ輸送される過程で，これらの衛星の公転軌道やリン研究ならびに理論・シミュレーション研究の進展に伴グの存在する領域を通過する．衛星およびリングと衝って，放射線帯の物理は近年新たな展開を見せている． 突した高エネルギー電子は消失するが，木星の磁軸が本稿の主題である，惑星放射線帯の物理の展開につ自転軸に対して 9.4°傾いていることにより，磁気赤道いて述べるその前に，従来の定説はどのようなものでに集中して存在する“ほぼ磁力線垂直方向に速度ベクあったかを概観する．

トルを持つ電子”は衝突の頻度が相対的に小さくなる．

木星放射線帯の形成過程は，磁気圏内を惑星に対

このように衛星やリングとの衝突を免れた高エネルギして遠方から近傍に向かって動径方向に輸送するこー電子は消失することなく生き残り，放射線帯領域にとにより作り出されると考えられてきた．これは「断到達することができると考えられている [4]．

熱加速過程」と呼ばれ，サイクロトロン運動など荷電従来の木星磁気圏での放射線帯形成理論では，プラ粒子が磁場中で行う周期運動の中での保存量である断ズマ波動との相互作用は衛星やリングと同様，消失過熱不変量の保存を基本とする加速過程である．例えば

程の一つとして捉えられていた．プラズマ波動の中で

2

第一断熱不変量μ = mv⊥ /2B（m および v⊥は荷電粒子も，広いエネルギー帯の電子と相互作用することのでの質量および背景磁場に垂直方向の速度，B は背景磁きるホイッスラーモードの波動が注目されたが，磁気場強度を示す）を取り上げると，μを一定としたまま，圏内の高エネルギー電子を電離圏へと落とす効果が主荷電粒子を相対的に磁場の弱い領域（惑星に対して遠に取り上げられ，木星のオーロラの要因の一つとして■2011遊星人Vol20-4.indd295

2011/12/08

20:31:27

296

日本惑星科学会誌 Vol. 20, No. 4, 2011

考えられてきた [5,6]．この考え方に転換をもたらしたの供給過程に加えて，放射線帯領域内部での加速メカのは，地球の放射線帯の形成過程に関する研究成果でニズムも必要とされている．この放射線帯領域での加ある．

速メカニズムを担う物理過程としては，様々な周波数帯のプラズマ波動や磁気圏内で観測される諸現象が候

3. �ーラス放射と放射線帯形成過程

補に挙げられているが，中でも有力な候補として，内部磁気圏で発生するプラズマ波動であるホイッスラー

はじめに地球放射線帯の形成過程の概要と，近年の研究の展開を紹介する．

モード・コーラス放射との相互作用が注目されている[9]．コーラス放射は，電子のサイクロトロン周波数

1958 年の発見以降，地球を取り巻く放射線帯は安の 0.2 ～ 0.8 倍の周波数帯域で観測されるプラズマ波動定に存在する領域として考えられてきた．しかしながであり，１秒以下の時間スケールで周波数が時間的にら，1990 年代後半からの直接観測研究の結果，地球変化する微細なスペクトル構造を持つことが知られての放射線帯の激しく時空間変動する様相が明らかといる [10]（図 1a）．この特徴的なスペクトル構造がどのなった．特に電子放射線帯の外帯と呼ばれる領域でように形作られるかは，1950 年代の発見 [11] 以来の謎

は，磁気嵐が発達する過程で相対論的電子が完全に消であったが，近年計算機実験により再現され，磁気赤失した後，数日間の時間スケールでフラックスを増加道領域で生じる非線形過程が重要であることが明らかさせ，場合によっては磁気嵐前よりもフラックスが高となった [12,13]．この計算機実験では，発生したコーくなる事が明らかとなっている [7,8]．放射線帯の再形

ラス放射との非線形相互作用により，一部の高エネル成過程においては，動径方向への輸送による外部からギー電子が高効率に加速される様相も再現されている

(a)

(b)

図1 :（a）
CLUSTER衛星により地球磁気圏の磁気赤道領域，地球からの距離が約4.4 REの位置で観測されたコーラス放射のスペクトル．
Santolik et al.（2008）[10]より引用．（b）Voyager 1号により木星磁気圏の磁気赤道領域，木星からの距離が約7.9 RJの位置で観測※1されたコーラス放射のスペクトル．Coroniti et al.（1980）[5]より引用 ．
※1 Coroniti et al., Detection of Jovian whistler mode chorus: implications for the Io torus aurora, Geophys. Res. Lett., 7, 1, 45-48, 1980.
Copyright 2011 American Geophysical Union. Reproduced/modified by permission of American Geophysical Union.

■2011遊星人Vol20-4.indd296

2011/12/08

20:31:27

木星内部磁気圏でのコーラス放射と放射線帯電子生成過程／加藤 他-3297[14]．波動振幅が背景磁場強度の 10 程度になるコーピークを持つことが明らかとなっている．さらに木星

ラス放射は，コヒーレントな波動であるため，一部の内部磁気圏でのプラズマ環境に関して，磁場モデルお共鳴電子は波動電磁場成分が作るポテンシャルに捕えよびプラズマ密度分布モデルとの比較から，コーラスられ，その結果効率よく加速される．この非線形相互放射の観測される領域における電子のサイクロトロン作用による電子加速過程は，従来考えられてきた放射（fpe）の比（fpe/fce）が，地周波数（fce）とプラズマ周波数線帯電子の加速過程と比較して，加速効率が非常に高球内部磁気圏で放射線帯電子が効率よく加速されるといプロセスである．理論・シミュレーション研究によされている領域（プラズマ圏の外側）と近い値になってり指摘された非線形過程が，放射線帯の形成で支配的いることが示されている．これらの結果は，地球磁気かどうかは定量的な実証が必要であり，物理過程を捕圏と同様，木星内部磁気圏においてもコーラス放射とえるに必要な高分解能のプラズマ計測器による直接観の非線形相互作用による相対論的電子加速過程が生起測が重要な課題として残されている．放射線帯領域でしていることを指摘しており，木星放射線帯の形成過の相対論的電子加速過程を主なターゲットとする複数程におけるコーラス放射の果たす役割の重要性が注目の科学衛星ミッションが，米国・ロシアを始めとしてされつつある [19-21]．

提案され，また各国が地上に展開する磁力計や光学観測網とも連携した国際的な共同観測の実現に向け，議論が進められている．我が国でも ERG プロジェクト

4. まとめ：惑星磁気圏に共通する粒子加速機構の解明に向けてが立ち上げられ，その中核となる ERG 衛星は宇宙航

本稿では，木星および地球放射線帯の形成過程につ空研究開発機構・宇宙科学研究所の小型科学衛星シリいて取り上げ，双方に共通する物理素過程として考えーズの 2 号機に選定され，2015 年の打ち上げを目指しられるホイッスラーモード・コーラス放射による電子て検討が進められている [15]．

加速過程を紹介した．Galileo 探査機による観測結果

再び木星磁気圏に話を戻す．前述の通り木星放射線の統計解析による成果は，地球放射線帯の研究で注目

帯の形成過程は，動径方向への輸送に伴う断熱加速過されているコーラス放射による加速過程が，木星放射程に基づいて理解されてきたが，近年，木星近傍・数線帯の形成過程にも寄与している可能性を示唆するもRJ でのシンクロトロン放射強度の空間分布を説明すのであり，地球放射線帯の研究と木星放射線帯の研究る為には，放射線帯領域へ輸送される前の時点で，電との密接な関連を示す好例である．また，コーラス放子がある程度高いエネルギーを獲得している必要性が

射は木星磁気圏・地球磁気圏の他，土星や天王星の磁指摘された [16]．この内部磁気圏での電子加速機構を気圏でも観測例があり [22, 23]，コーラス放射による担う物理プロセスとして挙げられるのが，コーラス放相対論的電子加速過程は，磁場を有する惑星の磁気圏射との波動粒子相互作用である．

における普遍的な電子加速過程であることも予想されコーラス放射については，地球磁気圏での発見とる．特に土星磁気圏に関しては，Cassini 探査機によ同時期に，Voyager 1 号による木星磁気圏での観測例

りプラズマ環境の詳細な描像が明らかにされつつある．

が報告された [17]．観測された周波数スペクトルには， 土星磁気圏の特徴としては，衛星 Enceladus やリング
地球磁気圏で観測されるコーラス放射に類似した特徴を主な起源とする豊富な中性粒子・ダスト粒子の存在が見られ [5]（図 1b），励起プロセスの共通性を示唆しが挙げられる．放射線帯形成の物理の観点からも，磁ている．近年，木星磁気圏内を周回した Galileo 探査

気圏内の高エネルギー電子の輸送・消失過程に関する機による観測結果の統計解析から，木星内部磁気圏で地球や木星放射線帯との比較研究が期待される．

観測されるコーラス放射の空間分布が明らかにされた様々な惑星磁気圏でのコーラス放射による電子加速[18,19]．図 2 は Galileo 探査機により同定されたコーラ過程の解明には，計算機実験が大きな役割を果たすこス放射の空間分布を，磁気赤道面に投影したものであとが期待される．一例として，惑星磁気圏の空間スケる．木星磁気圏のコーラス放射は Ganymede の公転軌ールの違いが電子の加速効率に及ぼす影響を考える．

道よりも内側で，Io の公転軌道付近までの領域で観測

前節で示したように，地球と木星でコーラス放射が観されている．また，波動強度は Europa 軌道の周辺に測される領域のプラズマ環境は類似しており，観測さ■2011遊星人Vol20-4.indd297

2011/12/08

20:31:28

298

日本惑星科学会誌 Vol. 20, No. 4, 2011

Sun30

Io
EuropaGanymede
Callisto20: Pitch angle
boundary: Intense chorus

Dawn

X [RJ]
Dusk

100-10-20-3030

20

100-10-20-30

Y [R J]
図2 : Galileo探査機により同定されたコーラス放射の空間分布を，磁気赤道面に投影した結果．ガリレオ衛星の軌道もあわせて示して
4いる．コーラス放射を励起しているのは10 eV程度のエネルギーを持つ電子であり，電子の持つ速度分布で背景磁場ベクトルと速度ベクトルのなす角（pitch angle）が大きい成分が卓越する場合に励起しやすくなると考えられている．木星内部磁気圏ではある程度木星に近づくと，プラズマ波動を励起しやすい速度分布を持つ電子がほぼ定常的に観測されることが明らかとなっており，速度分布が変化する境界領域はpitch angle boundaryと呼ばれる．図中の赤丸はGalileo探査機により同定された境界の位置を示しており，Ganymedeの公転軌道付近に境界が存在する事，コーラス放射は境界よりも内側で観測されていることが示されている．
※2
図はKatoh et al.（2011）[17]より引用 ．
※2 Katoh et al., Whistler mode chorus enhancements in association with energetic electron signatures in the Jovian magnetosphere, J.
Geophys. Res., 116, A02215, 2011. Copyright 2011 American Geophysical Union. Reproduced/modified by permission of American
Geophysical Union.

れるコーラス放射の周波数も同様に kHz 帯である．こなりつつあるという状況であり，木星磁気圏を対象との結果はすなわち，コーラス放射の波長は地球と木星するには，計算機環境のさらなる充実が待たれる．

で同程度であることを示している．地球磁気圏よりも将来の木星探査では Europa，Ganymede の公転軌

空間スケール（すなわち磁力線の長さ）が一桁大きな木道を中心とした領域でのプラズマ環境の直接観測なら星磁気圏では，電子加速領域の大きさも一桁大きくな

びにリモート観測の検討が進められている．図 2 が示り，加速効率も高くなる事が期待され，テスト粒子解すように，この領域では強い強度を持つコーラス放射

析の結果からもそのようなスケール則の存在が示唆さが観測されており，コーラス放射による加速過程が放れている [20]．一方で，電子加速過程が有効に生じ得射線帯形成過程において，どの程度支配的な役割を果るかについては，コーラス放射の波動振幅や継続時間たしているかの定量的な議論が，観測結果を用いる事など，詳細な波動特性を明らかにする必要がある．こで可能となる．木星内部磁気圏での加速過程に関するの点の解明には，背景磁場の空間スケール等，実際の議論では，地球磁気圏内での高エネルギー電子加速過惑星磁気圏の環境を初期条件に用いたプラズマ素過程程の研究で得られた（および今後得られる）知見が重要の計算機実験が必要とされるが，現在の大型計算機のな鍵になると期待される．また，シンクロトロン放射リソースでは地球磁気圏を対象とする計算が現実的にの数日スケールの時間変動に関する，動径方向輸送に■2011遊星人Vol20-4.indd298

2011/12/08

20:31:30

木星内部磁気圏でのコーラス放射と放射線帯電子生成過程／加藤 他

基づいた放射線帯粒子フラックスのモデル計算結果からは，加速過程の議論に加えて，高エネルギー電子の消失過程をより詳細にかつ定量的に評価する事の必要

299[12] Katoh, Y. and Omura, Y., 2007, Geophys. Res. Lett. 34,L03102.
[13] Omura, Y. et al., 2008, J. Geophys. Res. 113, A04223.

性が指摘されている [24]．木星内部磁気圏での探査は， [14] Katoh, Y. et al., 2008, Ann. Geophys. 26, 3451.
プラズマ総合観測に加え，高エネルギー電子の消失を担っている衛星本体およびその周囲を取り巻く中性粒子の分布を明らかにする事も，木星放射線帯の形成過程を理解する上で非常に重要である．将来の木星探査[15] Miyoshi, Y. et al., 2010, Trans. Japan Soc. Aero. Space
Sci. 8, Tm_1.
[16] Sicard, A. and Bourdarie, S., 2004, J. Geophys. Res.
109, A02216.

による放射線帯形成過程の解明は，現在検討が進めら[17] Scarf, F. L. et al., 1979, Science 204, 991.

れている ERG プロジェクトによるジオスペース探査[18] Menietti, J. D. et al., 2008, Ann. Geophys. 26, 1819.の成果とも密接に関連する，宇宙プラズマ中での粒子[19] Katoh, Y. et al., 2011, J. Geophys. Res. 116, A02215.

加速過程の本質的理解に繋がる重要な課題であること[20] Summers, D. and Omura, Y., 2007, Geophys. Res. Lett.

を強調したい．

34, L24205.
[21] Horne, R. B. et al., 2008, Nature Phys. 4, 301.

謝 辞[22] Gurnett, D. A. et al., 1981, Science 212, 235.
[23] Gurnett, D. A. et al., 1986, Science 233, 106.

本研究の一部は東北大学グローバル COE プログラ

[24] Tsuchiya, F. et al., 2011, J. Geophys. Res. A09202.

ム「変動地球惑星学の統合教育研究拠点」の支援な
らびに日本学術振興会科学研究費補助金（課題番号22684025）の助成を受けて行われました．Galileo 探査機の観測結果の解析については，ドイツ・マックスプ
ランク研究所の N. Krupp 博士，米国アイオワ大学のW. S. Kurth 博士から多くの支援と助言をいただきました．

参考文献[1] Khurana, K. K. et al., 2004, in Jupiter, 593.
[2] Brice, N. M. and McDonough, T. R., 1973, Icarus 18,206.
[3] Miyoshi, Y. et al., 1999, Geophys. Res. Lett. 26, 9.
[4] Bolton, S. J. et al., 2004, in Jupiter, 671.
[5] Coroniti, F. V. et al., 1980, Geophys. Res. Lett. 7, 45.
[6] Thorne, R. M. and Tsurutani, B. T., 1979, Geophys.
Res. Lett. 6, 649.
[7] Baker, D. N. et al., 1994, Geophys. Res. Lett. 21, 409.
[8] Friedel, R. H. W. et al., 2002, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.
64, 265.
[9] Miyoshi, Y. et al., 2003, J. Geophys. Res. 108, 1004.
[10] Santolik, O. et al., 2004, Ann. Geophys. 22, 2555.
[11] Storey, L. R. O., 1953, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A
246, 113.

■2011遊星人Vol20-4.indd299

2011/12/08

20:31:30