名古屋大学(名大)、東京大学(東大)、京都大学(京大)、東北大学、大阪大学(阪大)の5者は10月31日、NASAのMMS衛星編隊に搭載された「低エネルギー電子計測装置」(FPI-DES)と電磁場の計測データの解析によって、地球近傍の磁気圏外の宇宙空間で電子が「ホイッスラーモード波動」と呼ばれるプラズマ波動にエネルギーを供給している現場を捉え、電子から波動へのエネルギー輸送率を直接計測し波動の成長率を観測に基づいて導出することに成功したと発表した。
同成果は、名大宇宙地球環境研究所の北村成寿特任助教、同・三好由純教授、同・中村紗都子特任助教、同・小路真史特任助教、東大大学院 理学系研究科の天野孝伸准教授、京大 生存圏研究所の大村善治教授、同・嶋浩嗣教授、東北大大学院 理学研究科の北原理弘助教、同・加藤雄人教授、宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所の齋藤義文教授、阪大大学院 理学研究科の横田勝一郎准教授らを中心とした国際共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。
宇宙空間では、無数のプラズマ(荷電粒子)が行き交っていることが知られているが、天体の近傍を除けばその密度は非常に低く、荷電粒子同士の衝突はほぼない「無衝突状態」となる。同状態では、電場や磁場によって荷電粒子の加速や散乱が引き起こされていると考えられており、特に、プラズマ波動を介するものが効率的な過程として、宇宙空間のさまざまな領域で働いているとされる。
従来は間接的な研究が多く行われてきたが、近年はエネルギー輸送率の直接観測による、どの種類の相互作用がどの程度の大きさで起きているかを実証する研究が実現され始めている。今回の研究でも、より高周波の電子に強く関連するホイッスラーモード波動について、電子から波動へのエネルギー輸送率の直接観測の成功と、それに基づく成長率の導出、非線形成長理論との整合についての解析が試みられたという。
今回の研究では、2016年12月25日に高度約5万4000kmで起きた磁気リコネクション付近において、MMS衛星編隊がホイッスラーモード波動を観測、同時にFPI-DESと電子ドリフト計測器(EDI)による高い時間分解能で電子を観測したデータが解析に用いられたという(3日後の28日には高度約6万5000kmの時期シース領域でも同様の観測が追加で報告された)。
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背景磁場(紫)に沿って波動磁場(水色)が螺旋を描きながら伝搬するホイッスラーモード波動と、それとすれ違いながら相互作用する電子(赤)のイメージ (c)東京大学 (出所:東北大プレスリリースPDF)
FPI-DESは超高時間分解能で全方向から来た電子を計測可能だが、その時間分解能でも解析には不十分で、今回の研究では電子の観測データを約200マイクロ秒という極限まで分解する工夫がなされた。そして、その電子の観測データと電磁場の観測データに対し、「波動粒子相互作用直接解析(WPIA)法」が適用された。
