宇宙からの電磁波で高速明滅する陽子オーロラ

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カナダで観測された明滅する陽子オーロラが、宇宙で発生する電磁波の一つ「電磁イオンサイクロトロン波動」の最も速い電力変化と同じ周期で高速に明滅していることが、金沢大学などの研究により初めて発見された。

【2018年2月7日 国立極地研究所

オーロラは、宇宙空間から地球へと運ばれてきた電荷を持った粒子が、高度100km付近の超高層大気と衝突したときに起こる発光現象だ。特にマイナスの電荷を持った電子の衝突によって発光する電子オーロラは、カーテン状や雲状などさまざまな形態があり、中には1秒以下で明滅するタイプもあることがわかってきている。

一方、プラスの電荷を持った陽子の衝突によって陽子オーロラも光ることが知られているが、陽子オーロラは電子オーロラに比べて暗いために観測が難しく、その時間変化等についてはよくわかっていなかった。

電子オーロラと陽子オーロラ
カナダで観測された電子オーロラと陽子オーロラ(オーロラを強調するためにカラースケールを調整)(提供:国立極地研究所のリリースページより、以下同)

金沢大学の尾﨑光紀さんたちは、通常のCCDカメラよりも高速・超高感度を有するEM-CCDカメラとStockwell変換と呼ばれる信号解析法を併用し、暗い陽子オーロラを詳しく調べた。そして、オーロラ・電磁波観測ネットワーク「PWING」の国際拠点の一つであるカナダ・アサバスカ観測点でとらえられたオーロラの高速撮像(1秒間に110枚撮像)のデータと、同点で観測された宇宙空間からやってくる微弱な電磁波のデータから、宇宙からの電磁波の一種である「電磁イオンサイクロトロン波動」と同じ周期で陽子オーロラが明滅していることを世界で初めて明らかにした。

オーロラ光の明滅変動と電磁イオンサイクロトロン波動に相当する地上の地磁気脈動の電力変動を示した図
(上)2016年1月2日に観測されたオーロラ光の明滅変動、(下)宇宙の電磁イオンサイクロトロン波動に相当する地上の地磁気脈動の電力変動。電磁波の電力変化が強くなる6:09~6:17の間にオーロラ光も電磁波と同じ周波数帯で明滅していることがわかる

今回の結果は、地球周辺での宇宙空間において電子だけでなく陽子も激しく時間変化していることを示すものである。陽子オーロラの観測は、宇宙空間に存在する通常より高いエネルギーを持つ陽子の時空間変化を地上から知る手がかりとなり、地球周辺の宇宙環境を明らかにする上で重要な知見となる。また、電磁イオンサイクロトロン波動は宇宙の放射線(放射線帯電子)を変調させ、大気に散乱させる効果があることが知られており、こうした宇宙放射線の動態解明に陽子オーロラの観測が貢献すると期待される。

陽子オーロラは一地点の観測範囲を超える数千kmにもわたって発生する場合もあるため、PWINGと日本が中心となって地球周辺の放射線の様相を調べている科学衛星「あらせ」との共同観測が重要となる。地球周辺の宇宙環境のグローバルな時空間変動を理解することは、人工衛星の安全な運用にも役立つだろう。