JAXAが木星高層大気の異常高温の原因を解明、50年来の謎を解く

宇宙航空研究開発機構(JAXA)宇宙科学研究所(ISAS)の国際トップヤングフェロー(准教授に相当)であるジェームズ・オダナヒュー氏らの研究チームが、木星高層大気の全球温度マップを最高分解能で作成することで、木星大気の異常高温の原因が強力なオーロラであると解明した。この成果は85日に英科学誌「ネイチャー」に掲載された。

木星は地球より5倍以上も太陽から離れているため、木星大気の温度は低いと思うかも知れない。5倍離れた場合、木星には地球に降り注ぐ太陽光の25分の1しかないことを基に計算すると、木星の高層大気の平均温度はマイナス73℃ほどと推測される。しかし、実際の観測値は約420℃と高温である。

木星では、火山活動が活発な衛星イオから噴出するガスが木星周囲の宇宙空間に荷電粒子を豊富に供給しており、太陽系最強の木星オーロラとそれによる極域大気の加熱を生み出している。このため、木星オーロラが木星大気の異常高温の熱源候補として注目されてきたが、これまでの観測では結論を出すことができず、50年来の謎であった。

これまでの木星高層大気の温度マップは解像度が粗いものしかなく、異常高温を引き起こす熱源が何であるかの手がかりはほとんどなかった。これを改善すべく、オダナヒュー氏らの研究チームは以下の二段階のアプローチをとった。まず、ハワイ島マウナケア山頂にある10m口径のケックII望遠鏡を利用して木星の表面温度の計測点数を増やした。2016年4月および20171月の夜にそれぞれ5時間ずつ、近赤外線分光器を用いて木星大気中のH3+イオンからの輝線を全緯度で検出した。このイオンは木星高層大気の主成分であり、輝線の強度からその領域の温度を導き出すことが可能だ。

次に、計測値の不確定性が5%以下の場合にのみ、その値を最終的な木星マップに反映することにした。この結果、可能な限り高い空間分解能を追求しつつ不確定性の排除も行い、分析に最適なマップを作成できた。オダナヒュー氏は「データを注意深く抽出してマッピングし、分析するには何年もかかった。最終的にできあがったのは、1万を超える個別のデータポイントから成る温度マップだった」と述べている。

オーロラが木星大気の異常高温の原因である可能性は以前より提案されていた。しかし、これまでの木星高層大気の全球モデルにおいては、木星の速い自転による影響のために赤道向きの風は西向きに曲げられてしまうとされ、これでは極域のオーロラのエネルギーが低緯度へと拡散され大気全体を加熱することにはならないとされてきた。

しかし、今回の新しい温度マップを見ると、そのような強い風の曲げは起きておらず、高緯度のオーロラ領域から赤道に向かって温度が低下していくことを明確に示していた。これは、高緯度で加熱された大気が惑星風によって低緯度へと運ばれ、木星全体を循環しているということを示している。

JAXAの惑星分光観測衛星「ひさき」は2013年の打ち上げ以降、地球周回軌道から木星のオーロラを観測してきた。長期間にわたる観測により、木星のオーロラは太陽風(太陽から吹き出す荷電粒子の流れ)の影響を強く受けていることがわかっている。より強い太陽風が木星の固有磁場と衝突すると木星側の磁場が強く圧縮され、木星オーロラが増光する。

今回、研究チームは、この強まった太陽風との相互作用の結果として生じる強い大気加熱の証拠も見出した。増光したオーロラを起源にして高温領域が低緯度へと伸びている様子を観測したのだ。この時、木星では太陽風がきわめて強い状態にありオーロラも強くなった。この幸運により、低緯度に向かって高温帯が伸びていく様相を捉えるという発見が可能となった。

オダナヒュー氏は「熱が伝播する様相をとらえられたことはとても幸運だった。もし木星を観測したのが別の日で太陽風が強いという条件が揃わなかったら、このような成果を得られなかっただろう」と述べている。

木星のような強いオーロラは、巨大ガス惑星全般で期待される現象だ。一方で、様々な要素により惑星風の状態が決まることを考えれば、それぞれの巨大ガス惑星で大気加熱源としてオーロラの役割は様々に異なっている可能性がある。

画像提供:JAXA

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