名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXIV, 2013.
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炭素 14 と宇宙線変動

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1.はじめに

大気中の放射性炭素(炭素 14 ， 14C) は，おもに太陽圏外から飛来する銀河宇宙線によって大気中につくられる中性子が窒素 14 原子核と反応することによって生成される。地球へ到達する銀河宇宙線強度は太陽がつくる惑星間空間磁場によって制御される。従って大気中の 14C 量を測定すれば，地球へ到達した宇宙線強度やこれを制御している太陽活動を知ることができる。特に過去の大気中 14C 濃度の情報を保存している樹木年輸を調べることにより， 1 年ごとの 14C 生成量がわかり，これから太陽活動の 11 年周期(シュワーベ・サイクル)とその変化や 1 年スケールの宇宙線強度変動がわかる。我々は，この手法により過去の太陽活動周期を調べてきた [1] 。太陽活動は平均 11年の周期で強弱を繰り返すとともに，100 年のスケールでその活動の極小期(grand solarm泊imum) を示す。過去 12 ， 000 年にわたる 5-10 年ごとの地球大気中 14C 濃度は IntCal09 [2] としてまとめられ，このデータから多くの 14C 濃度のピーク(宇宙線強度の増加)すなわち太陽活動極小期が同定されている。その中で，太陽活動の指標である黒点データと比較できる 17 世紀後半のマウンダー極小期は顕著で，地球気候の寒冷化(小氷期)との関連も議論されている。我々はこの年代やそれ以前の黒点データがない年代の 14C 濃度を測定し，太陽活動極小期において通常の 11年より長い周期成分を見いだした。この結果により，太陽活動が弱くなるときにはダイナモ活動の周期が長くなることが示唆された。最近では紀元前 4 世紀の太陽活動極小期と見られる年代の樹木− 62 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXIV, 2013003(クスノキ)を入手し， 14C 濃度を測定した結果，最も古い年代における 11 年周期のシュワーベ・サイクルを確認し，さらに顕著な周期長の伸びを見いだして極小期の普遍的な性質を調べた [1]0
一方，宇宙線の源が変化すれば当然生成される 14C 濃度も変化する。すなわち宇宙空間の地球近傍で何らかの高エネルギー現象が起これば，地球に飛来する宇宙線が増加し， 14C 濃度が増加すると考えられる。我々は以前，歴史上最も明るく輝いたといわれる西暦 1006 年の超新星爆発 SN1006や西暦 1054 年の超新星爆発 SNI054 (残骸はかに星雲)による宇宙線(ガンマ線)の増加が検出できないかを試みたが，太陽 11 年周期活動による変動を越える変化は見られなかった [3]。そこで今回，対象年代を広げ， 8 世紀の 14C 濃度変化を調べたところ，西暦 775 年に非常に大きな 14C 濃度の変動を発見した。本稿ではこの宇宙線増加の痕跡について詳しく述べ，その原因となる高エネルギー現象に関して考察する。

2. 高エネルギー現象の痕跡 [4]太陽や宇宙における高エネルギー現象によって地球近傍の宇宙線環境が大きく変化することが予想される。またその変化は現象の発生の仕方に依存して，かなり短時間で上昇することが予想される。そこで有意な宇宙線増加を示す目安として， I
ntCal (5年または 10年ごとの 14C濃度の較正データ) [2] を用いて，広い範囲の年代にわたってそのような痕跡がないかを調べた。その結果，過去 3， 000年間で3 回ほど，I1 14 C が 3%0110年以上の早い増加を示している時期が見つかった。西暦

1 ， 800年頃，西暦 780年頃，そして紀元前600年頃である。このうち西暦 1 ， 800年頃は Stuiver らの 1年値データ [5] があり，この変化は太陽活動のダルトン極小期による 14C の増加を示す 10年以上のゆっくりした変動であることがわかっている。また紀元前600年頃は，紀元前7世紀の 14C濃度の大きな増加の直後で， Takahashi ら [6] によって 1年分解能で測定されている。興味深い変動ではあるが，数年以下の早い変化ではないことがわかっている。一方， 780年頃の年代ではまだ高時間分解能の測定は行われておらず，この年代の周辺で急激な 14C濃度変化がありそうなことがわかった。そこ
で我々は，屋久杉年輪何回e-A) を用いて西暦 750年から 820年までの期間について 1-2年ごとに 14C濃度を測定した。試料処理はすべて太陽地球環境研究所の実験室で行い，測定は年代測定総合研究センターの加速器質量分析計により行われた。 14C濃度の単測定の誤差は 2.6%。程度であった。なお，別個体の屋久杉 (Tree-B) についても西暦770年から 779年の期間について 1年ごとの 14C濃度を測定し，結呆の再現性を確認した。
得られた結果を図 1 に示す [4]。パネル(a)は我々が測定したデータである。西暦774年から 775年にかけて急激に 14C濃度が増加していることがわかる。増加量はこの 1 年聞に 12%。であった。この増加率は，通常の太陽 11年周期活動による 1年あたりの変動量 (5年で 3%。程度)に比べて 20倍大きいことになる。ピーク値の増加率は 15%。である。パネル(b) は屋久杉の測定結果の 10年平均とIntCal98の 10年値 [7] の比較で，欧米の樹木年輪から求められた値と屋久杉の結果が一致していることがわかる。さらに南極ドームふじのアイスコアで測定された lOBeのブラックスの 10年値にも同様な増加が見られている [8]。このことは，この現象が全地球的に起こったことを示している。図 2は，この宇宙線の増加による 14C の生成率とその継続時間をパラメータとして 4-box炭素循環モデルを考慮して求めた減衰曲線である。最もよく合う継続時聞は 1年またはそれ以下で，継続時間 1年に− 63 −

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名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXIV, 2013003

対する 14C生成率は 19 aωms cm- 2 s- 1 であった。この生成率は，通常の銀河宇宙線による生成率 2
atomscm匂一1 の約 10倍である。なお宇宙線生成の継続時聞が短い場合は， 14C生成率が継続時間に反比例して大きくなる(14C生成量が一定)。

3. 高エネルギー現象の原因
この現象の原因についてはまだ未解明である。 1年以下の短期間に全球的に通常の 10倍以上の生成率で 14C を生成できる現象としては，太陽の近傍で起こる超新星爆発やガンマ線パースト，太陽自身の表面で起こる特大フレアなどが考えられる。

3.1 超新星爆発仮説
星の一生の最後である超新星の場合は爆発と同時に発生するガンマ線が直接地球へ到達することによって，地球大気中での光核反応から生じた中性子あるいはその後発達する空気シャワー中で生成される中性子から 14C がつくられる。今回の事象で大気中につくられた 14C の増加量 15%。は，全球の大気中で 13.5kgの 14C に相当する。この 14C を生成するために地球へ到達した宇宙線の総エネルギ}を原子核反応の計算から求めると，ガンマ線のエネルギースペクトルをE-205 !::仮定してエネルギー当たりの生成率は 120 14Catoms/erg となり，上記の 14C を生成するために必要なガンマ線エネルギーは 7X 10"erg となる。
超新星爆発で放出される総エネルギーは 10 51 erg と考えられており，その 1% がガンマ線として放1049ergのエネルギーが放出される。これは地球と超新星の聞の距離が 200pc6m) 程度であれば説明できる。この距離はこれまでの歴(パーセク， lpc=3.26光年= 3.
09X10'出されるとすれば，史記録に残っている超新星爆発(例えば SN1006では2kpc) よりかなり近いので，空に明るい星の出現が見られたはずであるが， 775年付近にそのようなはっきりした歴史記録はない。超新星の場
合は可視光吸収によって星自身が見えない，あるいは南半球などの人口の少ない地域では記録が残らないなどの可能性はあるが，明るさと継続時聞から考えると何らかの痕跡が期待される。また爆発後には超新星残骸が残され，現在の観測技術では何らかの形で発見されているはずと考えられる。
太陽系の近くで若い超新星爆発の証拠は残っておらず ， AD775事象が超新星爆発である可能性は低し、。

3.2 ガンマ線パースト仮説
我々の論文発表後，ガンマ線パースト(gamma-ray burst:GRB) と呼ばれる高エネルギー現象が我々の銀河内の太陽に近いところで起こったのではないかという指摘がなされた [9]。磁化した中性子星が合体して回転するブラックホールになりjet と呼ばれるエネルギー流をビーム状に放出する。 Jetの方向に地球がいれば観測可能となる。 ShortGRB はガンマ線の放射が 2秒以内に終わるもので，高エネルギー成分が多いスペクトルをもっている。これは 14C と 10Beの生成比を説明できる可能性がある。また歴史記録がないことや超新星残骸が見つかっていないことも説明できる。しかし我々の銀河内で shortGRB が起こる確率は (3.75 X106yr).' とされ，(3000yr).' と比べてかなり小さい。

− 65 −14C事象の発生頻度

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXIV, 20130033.3 太陽陽子事象 (Solar proωn event:SPE)
一方，太陽表面で大フレアが起これば高エネルギー陽子が大量に発生し，地球に到達して大気中に 14C をつくる。生成率は，高エネルギー陽子のエネルギースベクトルや地磁気によるカットオフを考慮して原子核反応の計算から求めると 10 14Catomslerg であり，今回の事象の 14C を生成するために地球へ到達した陽子の総エネルギーは 8XI0田 erg となる。フレアによる陽子の放出が等方35erg 程度と推定され，これは通常のフ的と仮定すると，太陽から放出されるエネルギーは 2X 10
レアのエネルギー 10 29 -10 32 erg よりかなり大きい。 Melott andThomas[10] によれば，通常フレアからの陽子は関口角 24' ー 72' の範囲に放出されるので， 24' とすればフレア自体のエネルギー33erg となるが，これでも過去最大のフレアより 10倍以上大きい。このようなスーパーフは 2X 10
レアが我々の太陽でも起こりうることが最近の研究 [11] で示されており， 1035erg のフレアは3，000年に一度， 1034erg のフレアは 800年に一度の頻度で起こるとされている。しかし，ある程度大きな太陽フレアが起こった場合には地球大気や気候への影響の可能性があるが， 775年頃にそのような形跡はない。逆に，太陽粒子によって引き起こされるオーロラが低緯度でも見えたという記録はあるようだ。

4.

まとめ

我々は，1-2 年の高時間分解能の 14C 測定により，過去の太陽活動周期の検出や宇宙における突発高エネルギー現象の探索を試みてきた。その結果，太陽活動極小期におけるシュワーベ・サイクルの周期長の伸びを見いだし，また今回 AD775 年の宇宙線の突発現象を発見した。この事象の特徴は，宇宙における 1 年以下の短期間の高エネルギー現象による全地球的な宇宙線の増加が起こったというものであった。これらの研究は，加速器質量分析計による大量の試料の高精度測定によって可能となったものである。今後も年代を拡張して測定を継続する予定であり，さらなる発見につなげたいと考えている。そのためにも名古屋大学の加速器質量分析計の更新や試料調製の効率化が検討されている。また

10ßeの 1年値を東京大学のMALTで測定中であるが，名古屋でも測定できるようになればさらに重要な発見につながるものと考えられる。

謝辞
福島大学の木村勝彦さんには年輪の年代決定をしていただくとともに， Tree-ß の年輪試料を提供していただきました。ここにお礼を申し上げます。

また本研究は科学研究費補助金(基盤研究ß: 課題番号22340144) を使用して行われました。

参考文献[1]Nagaya, K. , Kitazawa, K., Miyake , F. , Masuda, K., Muraki, Y. , Nakam町九 T. ， Miyahara, H.and, SolarPhys.280(2012)223‑236

Matsuz誌i， H.

[2]R白血.er， P.J. , Baillie, M.G.L., Bard, E. , Bayliss, A.andBeck, J.W. , Radiocarbon51(2009)1111ー 1150.

− 66 −

名古屋大学加速器質量分析計業績報告書， XXIV, 2013003c.29th[3]M明 0， H., Miyahara, H., Kuwana, K., Masuda, K., Muraki, Y.andN法制ura， T., ProICRC2(2005)357‑360[4]Miyake, F., Nagaya, K. , Masuda, K.組dN誌amuraT. ， Naωre 486(2012)240‑
242[5] 加iver， M. , Reimer, P.J. 血d Braziunas, T.F., Radiocarbon40(1998)1127‑
1151[6]Takahashi, Y. , S紘ぽai， H. , S田uki， K., Koriyama, T. , Sato, T. , Guoji, S. 阻d Tokaoai, F. , P
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ICRC1(2007)673‑
676[7] 蜘iver， M. , Reim民 P. J., Bard, E.U. , Beck, J.W. , Burr, G.S. , Hughen, K.A. , Kromer, B., McCormac,G. , VanderPlicht, J.皿d Spurk., M. , Radiocarbon40(1998)1041‑
1083.
[8]Horiuchi , K. , Uchida, T. , S位置noto， Y. , Ohta, A., Matsu団組， H. ， Shibatad, Y. 阻dMoωy町na， H. , Quat.
G四chronology 3(2008)253‑
261.

[9]Hambary四， V.V.andNeuhaeuser, R. , Ml百AS 430(2013)32‑
36[10]Melo壮，A. L.四d Thom田，B. C. ， Na似re 491(2012)EI‑E2.
[11]Maeh町民 H. ， Shibayama, T, No臼，u， S. , No胞u， Y. ， Nag印， T. , Kusaba, S. , Honda, S. , Nog町凶， D.and
Shiba旬，K.， Naωre 485(2012)478‑481.

日本語要旨名古屋大学太陽地球環境研究所における炭素 14 測定によって最近得られた 1200 年前に起きた急激な宇宙線増加事象について報告する。この事象の詳細を述べるとともに，原因となる高エネルギー宇宙現象について議論する。

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