名古屋大学加速器質量分析計業績報告書. X
XV, 2014.03

樹木年輪に刻まれた突発的宇宙線イベント

Suddencosmic‑rayincreaseeven旬 recorded intree‑rings
三宅芙沙問・増田公明 1 ・箱崎真隆 2 ・中村俊夫 2 .門叶冬樹 3 .加藤和浩 3 .木村勝彦 4 .光谷拓実 5

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imiakiM田uda 1 ， M田ataka Hakozaぜ， ToshioNakam町a 2, Fuyuk
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koKimura"T，北町凶 Mi臼uta且i 51

名古屋大学太陽地球環境研究所・ 2 名古屋大学年代測定総合研究センター・山形大学理学 3・福島大学共生システム理工学研究科 4 ・奈良文化財研究所 51Solar‑TerrestrialEnvironmentLaboratory, NagoyaU凶Vぽsity, NagoyaU凶V町sity

2Centerfi町 Chronologica1 Research

3 Fac'叫ty ofScience YamagataU凶versity,

4F出叫.ty ofSymbioticSystemsScience, FukushimaUniv
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1.はじめに地球に存在する炭素の同位体である放射線炭素 14C は、地球外からの宇宙線によって生成される。
宇宙線は常に地球に降り注いでおり、その正体は主に陽子などの高エネルギー粒子であるロ宇宙線のエネルギ一分布は広範にわたり、太陽系外から飛来する銀河宇宙線 (Ga1actic CosmicRay, GCR,-I O"'eV) と、太陽で発生した太陽宇宙線 (SolarCosmic Ray， SCR， -10g eV) に大別される。地球大気に入射した宇宙線(=一次宇宙線)は、大気原子核と核反応を起こし様々な 2 次粒子を生成する(=二次宇宙線) 0 14C はいくつかの反応過程を経て生成されるが、主なものは一次宇宙線によって作られた熱中性子を窒素原子が捕獲する中性子捕獲反応である(式1)。
14N+ π → 14C +P(1)

生成された 14C は大気中で酸化されて 14CÛ2となり、大気を循環した後樹木へと取り込まれる。従って、樹木年輪中の 14C 濃度は過去の到来宇宙線強度を記録していると考えられる。 14C の半減期は 5730 年であることから仮に年代既知の樹木サンプルが存在すれば、過去数万年にわたって到来− 137 −

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宇宙線強度を調査できる。このような過去の到来宇宙線強度の記録は樹木年輪中 14C だけでなく、珊瑚年輪、堆積物中の 1'Cや、氷床中の lOße や 36Cl ~いった宇宙線生成核種を用いて調べることも可能である。
地球への宇宙線量は太陽活動 (11 年周期のシュワーベサイクル)によって影響を受け、 14C の生成量はシュワーベサイクルによって:t 15%程度増減しているが [Nag，の'aetal.2012] 、通常数年オーダーではこの変動を大きく上回らないロしかし、宇宙での高エネルギー現象(大規模 Solar P
rotonEvent;
SPE、地球近傍の超新星爆発やガンマ線ノ号ースト等)が発生した場合、地球へ大量の宇宙線が降り注ぎ、 l 年以下で大気中の 14C 濃度が急上昇すると考えられるロ

本研究以前の 14C をはじめとする宇宙線生成核種の測定では、高エネルギー現象の明らかな痕跡は見つかっていなかったロ特に、歴史記録に残る中で最も明るく輝いたと考えられている超新星爆発 SN1006 (西暦 1006 年)や、観測史上最大の太陽フレアと言われているキャリントンフレア(西暦 1859 年)前後の年代に 14C 濃度の上昇は見られない [Damon etal.2000;Menjoetal.2005;Si加iveretal. 1998]。このことから仮に 14C 急増が発見されれば、上に挙げたイベントをはるかに上回る規模であったと言える。

このような高エネルギー現象を探索する目的で、これまでに我々は屋久杉 (Crypωmeriajaponica)
年輪中の 14C 濃度を測定してきた。 10 年分解能のIntCa1変動曲線[Reimeretal.2009] において、増加率の大きい 8 世紀後半に着目して 1 年分解能で詳しく調べたところ、西暦 774-775 年にかけての 14C濃度急増を発見した [Miyake etal.目 2012]0 2 個体の屋久杉年輸を用いて見つかったこの 775 年イベン
トは、その後世界の複数の樹木を用いた 14C 濃度調u 定から存在が確認されている [Usoskin etal.2013;

G tleret aJ.2013]。図 l にドイツのオーク (Que陀山)サンプルと屋久杉を用いた測定結果の比較を示す [Usoskin etal.2013]。このような世界各地の樹木を用いた検証から、 775 年イベントが屋久島付近の局所的なものではなく、宇宙線が全地球的に影響を与えたことが明らかになった。
775 年イベントの原因の有力な候補として、銀河系内で発生したショートガンマ線パースト(中性子星またはブラックホールの融合によって発生すると考えられている)、または太陽の大規模SPE(太陽フレアやコロナ質量放出といった太陽表面の爆発によって大量の高エネルギー粒子が放出される現象)が挙がっていた。 14C 濃度を増加させるような地球近傍ショートガンマ線パーストの発生頻度は、観測によって約 400 万年に 1 度程度と見積もられているが、その誤差が大きいため約1300 年前(775 年)にショートガンマ線パーストが発生していた可能性は否定できない [Hambaηlan&M側häuser 2013]。このように、 2 つの有力候補が挙がっていたが、それ以上の議論が困難な状況であったロ
さらに原因を追求する上で 14C イベントの発生頻度が重要になると考えられるため、測定する年代を広げ 14C イベントの探索を行った。本稿では、測定年代を拡張して見つかった 2 例目の 14C 増
加イベントとその原因について議論する。

− 138 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書. XXV , 2014.03

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図 1 :屋久杉サンプルとドイツオークサンプルの 14C 濃度測定結果の比較。黒は我々の結果、赤と青はオークを用いた結果である。赤は ETH (スイスの AMS) 、青は MAMS (ドイツの AMS) を示す。 Usoskin etal.[2013] より転載。

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Usoskineta
1[2013].

2. 測定
用いた試料はその年代が年輪年代を用いて決定された、樹齢約 1900 年の屋久杉 (30.20N,0130.
3 E) である。 1 年輪ごとに剥離した木片に、それぞれ前処理を施してグラファイトとし、名古屋大学年代測定総合研究センターの加速器質量分析計 (AMS)[Nakamuraetal. , 2000] で 14C 濃度を測定した。 14C 濃度は Stuiver & Polach[1977] によって定義される 11 14C によって表される。

3. 994 年イベント
775 年イベントについての Miyake etal.[2012] では、西暦 750・820 年までのデータを報告したが、今回さらに測定年代を広げて西暦 600・ 1021 年までの連続 14C データを取得した [Miyake etal.2013]。
データの分解能は測定範囲にわたってほぼ 2 年である(ただし西暦 991 ・ 1001 にかけては 1 年分解能)。得られた 14C 濃度データとIntCa109 との比較を図 2 に示す。この測定により、西暦 993 年から 994 年にかけて 9.1%。の誤差に対して明らかな 14C 濃度増加を発見した。

1 年で増加した後は、775 年イベントと同様のゆるやかな減表がみられる。この減表は、炭素循環によって説明で、きると考えられる [Miyake etal.2012]0 775 年と 994 年の 2 イベントの比較を図 3 に示す。 994 年イベント
は 775 年イベントの規模の 0.6 倍であり、両者の変動が非常によく似ている。
994 年イベントの再現性を確認するために、長野県産のヒノキ (Japanese cypress) サンプルを用いた測定を行った(14C 濃度測定は山形大学の AMS [Tokanaietal.2013] を利用)。その結果、西暦993-994 年にかけて明らかなギャップがみられ、 994 年イベントについても異なる樹木による再現性を確認した。屋久杉を用いて検出した 994 年イベントは当初、 992・993 年に起きたものと報告していた。しかし、年輪年代を新たに調査したところ偽年輪の誤認がみつかり、 946 年以降の年代は1 年ずつ後ろにずれることが明らかになった [Miyake eta.
l2013a&2013b]。

南極氷床中lOBe フラックスの 10 年値にも、 2 イベントに対応した年代に大きな上昇がみられ[Horiuchietal.2008] 、 14C と l Oße 両者の増加量の比は同程度である。仮に見つかった 2 つのイベン− 139 −名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXV.
2014.
03

トの原因が異なっていた場合、 14C とlOBe の生成過程が異なることから、両者の聞で増加量の比に違いが現れると考えられる。このように見つかった 2 つのイベントの 14C 変動が似ているのに加え、14C とlOBe の増加量の比が同程度であることから、 2 イベントは同種の原因である可能性が高い。

。

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図2:700800
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AD600-1021 年までの測定データ(ひし形+誤差棒)と、IntCa109 (実線)の比較。矢印は、それぞれ西暦775年と西暦994年に対応している。 Miyalæ etal.[2013] より転載(一部修正)。

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図 3:

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775年イベント(四角)と 994年イベント(ひし形)との比較。縦軸は、増加前の 5点 (775年イベントはAD770・774年、 994年イベントはAD989・993年)の加重平均をゼロとしたものである

Miyal eta.
l[2013] より転載。
Figure3.Comparisono
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fAD770‑774fortheAD775seriesandAD989‑993tal.[2013a].
fortheAD994series.Thisgraphi
scited 企omMか'ake e− 140 −名古屋大学加速器質量分析計業績報告書. XXV, 2014.03

4. 原因について
これまでに実施された 1"(; 濃度の 1-2 年分解能の測定期聞は、合計すると約 1600 年間である。
その中で 2 イベント見つかったことから、現段階での 14C イベントの発生頻度は 800 年に 1 度といえる。この頻度は、前述したショートガンマ線パーストの頻度よりはるかに大きく、 800 年に 1度ショートガンマ線ノ〈ーストが起きる確率は 0.02%である。従って、ショートガンマ線ノ号ーストは原因としては考えにくく、大規模 SPE が 14C イベントの最も妥当な説明と言える。
775 年イベントの 14C 増加量がどの程度の規模の SPE に相当するかの試算がいくつかあり、地球へ入射した宇宙線は、観測で知られる最大級 SPE の 10~数 10 倍にのぼるとみられる[品'oskin etal.

2012 & 2013;Thom即 et al.2013]。前述したように、観測史上最大のキャリントンフレア発生年前後において 14C 濃度増加がみられない。仮にキャリントンフレアによる 14C 増加が測定誤差程度とすると、 775 年イベントはキャリントンイベントの少なくとも 10 倍に相当し、これは上記の見積もりと矛盾しない。

ここで注意する必要があるのは、年輪が 1 年分解能であることから到来宇宙線の 1 年間の総量しか求まらない点である。従って 14C イベントの原因が l つの SPE である必要はなく、複数のSPE による可能性がある(ただし、 1 年以内に発生している必要がある)。実際に、太陽フレアが発生する太陽の活動領域において、複数のフレアが連続して起きることがあるため、そのようなシナリオも十分考えられる。
このような大規模の SPE が発生すると、オゾン層が破壊され地上への宇宙線量も若干上昇するが、生物への直接的な悪影響はあまりないと見積もられている [Melott &Thom酎 2012]。実際に 2
つの 14C イベントが発生した前後の年代を調べても、疫病が蔓延した等の記録は見つかっていなし、。

しかし、仮に今日において大規模 SPE が発生した場合、現代社会へ甚大な被害が及ぶと考えられる。例えば高エネルギー粒子による人工衛星の故障や、電離層擾乱による地球規模の通信障害、さらに大規模な停電等が起きると予想されている。キャリントンフレアが仮に今日発生した

場合の被害総額は全米だけでも 1-2 兆ドル(1年間)に及ぶという試算もある [Royal Academyof

EngineeringR同port 2013]。今回の発見は、このキャリントンフレアを大きく上回るような SPE が775 年と 994 年に発生した可能性を意味しており、千年オーダーでみるとこのような SPE が太陽では普遍的に生じていたと考えられる。言い換えると、過去の大規模 SPE の痕跡はそうしたイベントが将来においても発生する可能性を示すものである。

表 1 :記録に残る大規模な SPE の人間活動への影響。 AD775 年イベントの放射線量の数値は、仮に 775 年イベントがキャリントンフレアの 10 倍と仮定した場合のものロT
able1:Influenceof
1argeSPEst
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イベント

航空機内放射線

ISS 軌道放射線

主な被害1989 年イベント

4[mSv]

20‑
40[mSv]-ケベック州停電-気象衛星故障-通信障害
キャリントンフレア‑20[mSv]‑100[mSv]-赤道付近のオーロラ(1859 年)
AD775 年イベント-電信局火災(欧米)>200[mSv]>1[S寸− 141 −名古屋大学加速器質量分析計業績報告書. XXV, 2014.03

5. おわりに太陽型の恒星では、「スーパーフレア」と呼ばれる通常の太陽フレアの何桁もエネルギーが高い現象が観測されている [Schaφ'r etal.2000;Maeharaetal.2012]。しかし、スーパーフレアが実際に太陽で起きるか完全に理解されていない。今回見つかった 14C 増加量からは、地球へ入射した総エネルギーを算出できるが、元の太陽でのフレアエネルギーに戻すためにはいくつかの仮定が必要となるロ我々の太陽でどのクラスのフレアがどの程度の頻度で発生するか明らかにすることは、太陽物理学においても非常に重要である。今後見つかった 14C イベントがどの規模のフレアに相当するか、綿密に調べる必要がある。
現時点では 2 つの 14C イベントが見つかっているが、過去遡るとさらに多くのイベントが存在すると予想される。今後、長期にわたる測定を実施して新たな 14C イベントを検出し、より正確な発生頻度を求める予定である。大規模 SPE の発生頻度は、将来の SPE に備える上で非常に重要なパラメータになると考えられる。
最後に、 14C イベントは l 年のギャップとしてその存在を認識できることから、 14C 年代測定における年代束縛点になり得る。従って多くの 14C イベントを検出することは、より正確な未知試料の年代決定に大きく貢献するものと期待される。

謝辞
福島大学の木村勝彦先生には、試料年輪の絶対年代を決定していただきましたロこの場を借りて、お礼申し上げます。本研究は、学術振興会特別研究員奨励費(課題番号: 24 ・ 3218) の助成を受けたものです。

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日本語要旨
775 年の宇宙線イベントの原因について、いくつかの候補が挙がっていたが特定するのは難しい状況であった。本研究の年代を拡張した 14C 濃度測定により、 993-994 年にかけても似たような 14C急増を発見したロまた、 994 年イベントは日本産の 2 個体の樹木から存在を確認した。 14C イベントの発生頻度から、その原因として大規模 SPE が妥当であると考えられる。
見つかった 14C イベントの 14C 増加量は、観測史上最大の SPE の1O~数 10 倍に相当する。このような規模の SPE が仮に今日発生した場合、現代社会へ深刻な被害を及ぼすと想定される。今回の発見はこうした大 SPE が将来において発生する可能性を示したものである。

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