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 ハッブル宇宙望遠鏡で撮影した木星の北極のオーロラの擬似カラー画像 | |
| 発見[1] | |
|---|---|
| 発見者 | パイオニア10 |
| 発見日 | 1973年12月 |
| 内部フィールド[2] [3] [4] | |
| 木星の半径 | 71,492 km |
| 磁気モーメント | 2.83 × 10 20 T · m 3 |
| 赤道磁場強度 | 417.0 μT (4.170 G ) |
| 双極子の傾き | 約10° |
| 磁極経度 | 約159° |
| 自転周期 | 9時間55分29.7±0.1秒 |
| 太陽風パラメータ[5] | |
| スピード | 400 km/秒 |
| IMFの強さ | 1ナノ秒 |
| 密度 | 0.4 cm −3 |
| 磁気圏パラメータ[6] [7] [8] | |
| タイプ | 本質的な |
| 弓衝撃距離 | ~ 82 RJ |
| 磁気圏界面距離 | 50～100 RJ |
| 磁気尾部の長さ | 最大 7000 RJ |
| 主なイオン | O n+、S n+および H + |
| プラズマ源 | イオ、太陽風、電離層 |
| 質量負荷率 | 約1000kg/秒 |
| 最大プラズマ密度 | 2000 cm −3 |
| 最大粒子エネルギー | 100MeVまで |
| オーロラ[9] | |
| スペクトラム | 電波、近赤外線、紫外線、X線 |
| 総電力 | 100 TW |
| 無線発信周波数 | 0.01～40MHz |
木星の磁気圏は、木星の磁場によって太陽風の中に作られた空洞です。太陽の方向に最大700万キロメートル、反対方向には土星の軌道にほぼ達する木星の磁気圏は、太陽系のどの惑星の磁気圏よりも最大かつ最強であり、体積では太陽系で太陽圏に次いで最大の連続構造として知られています。地球の磁気圏よりも広く平坦な木星の磁気圏は、一桁強力で、磁気モーメントは約18,000倍大きいです。木星の磁場の存在は、1950年代末の電波放射の観測から初めて推測され、 1973年に パイオニア10号宇宙船によって直接観測されました。
木星の内部磁場は、理論上は液体金属水素で構成されているとされる惑星の外核の電流によって生成される。木星の衛星イオの火山噴火により、大量の二酸化硫黄ガスが宇宙空間に噴出され、木星の周囲に巨大なトーラスが形成される。木星の磁場により、トーラスは木星と同じ角速度と方向で回転する。トーラスは次に、磁場にプラズマを負荷し、その過程で磁場を磁気ディスクと呼ばれるパンケーキのような構造に引き伸ばす。実際、木星の磁気圏は内部で駆動され、地球の磁気圏のように太陽風によって形成されるのではなく、主にイオのプラズマと自身の自転によって形成されている。 [6]磁気圏内の強い電流により、惑星の両極の周りには恒久的なオーロラと、激しく変動する電波放射が発生するため、木星は非常に弱い電波パルサーであると考えられる。木星のオーロラは、赤外線、可視光線、紫外線、軟X線を含む電磁スペクトルのほぼすべての部分で観測されています。
磁気圏の作用により粒子が捕捉され、加速され、地球のヴァン・アレン帯に似た、しかし数千倍も強い強力な放射線帯が生成される。 [要出典]エネルギー粒子と木星の最大の衛星の表面との相互作用は、その化学的および物理的特性に顕著な影響を及ぼす。これらの同じ粒子は、木星の薄い惑星環系内の粒子の動きにも影響を与え、またその影響を受ける。放射線帯は宇宙船にとって重大な危険であり、人間の宇宙旅行者にとっても危険である可能性がある。
構造
木星の磁気圏は、バウショック、磁気鞘、磁気圏界面、磁気圏尾部、磁気円盤などの要素からなる複雑な構造である。木星の周囲の磁場は、惑星の核（内部磁場）の流体循環、木星を取り囲むプラズマ内の電流、惑星の磁気圏の境界を流れる電流など、さまざまな発生源から発生する。磁気圏は、惑星間磁場を運ぶ太陽風のプラズマ内に埋め込まれている。[10]
内部磁場
木星の磁場の大部分は、地球と同様に、外核の導電性流体の循環によって支えられた内部ダイナモによって生成されます。しかし、地球の核が溶融した鉄とニッケルでできているのに対し、木星の核は金属水素で構成されています。[3]地球と同様に、木星の磁場は主に双極子であり、単一の磁気軸の両端に北磁極と南磁極があります。[2]木星では、双極子の北極（磁力線が放射状に外側を向いている）は惑星の北半球にあり、双極子の南極は南半球にあります。これは地球とは逆です。[11]木星の磁場には四極子、八極子、およびそれ以上の成分もありますが、それらの強さは双極子成分の10分の1未満です。[2]
双極子は木星の自転軸から約10°傾いており、この傾きは地球の傾き（11.3°）とほぼ同じである。[1] [2]赤道磁場の強度は約417.0 μT（4.170 G）で、[12]これは約2.83 × 10 20 T · m 3の双極子磁気モーメントに相当する。これにより、木星の磁場は地球の約20倍強くなり、磁気モーメントは約20,000倍大きくなる。[13] [14] [注1]木星の磁場は、その大気圏下の領域と同じ速度で、周期は9時間55分で回転する。 1970年代半ばにパイオニア探査機によって最初の測定が行われて以来、2019年までその強度や構造に変化は見られなかった。ジュノー探査機による観測結果を分析したところ、パイオニア時代に観測された惑星の磁場からの小さいながらも測定可能な変化が示された。[15] [16]特に、木星には赤道近くに「グレートブルースポット」として知られる強い非双極子磁場の領域がある。これは地球の南大西洋異常とほぼ類似している可能性がある。この領域は大きな永年変化の兆候を示している。[17]
サイズと形状
木星の内部磁場は、太陽から放出されるイオン化粒子の流れである太陽風が木星の大気と直接相互作用するのを防ぎ、代わりに太陽風を木星から遠ざけ、太陽風とは異なるプラズマで構成された磁気圏と呼ばれる太陽風の流れの空洞を効果的に作り出します。 [6]木星の磁気圏は非常に大きいため、太陽とその目に見えるコロナが余裕で収まります。[18]地球から見ると、満月の約1700倍も離れているにもかかわらず、空の満月の5倍の大きさに見えます。[18]
地球の磁気圏と同様に、木星の磁気圏内でより高密度で低温の太陽風プラズマとより高温で低密度の太陽風プラズマを分ける境界は、磁気圏界面と呼ばれている。[6]磁気圏界面から木星の中心までの距離は、太陽面下点で45～100 R J（R J =71,492 kmは木星の半径）である。太陽面下点とは、観測者にとって太陽が真上にあるように見える表面上の不定点である。[6]磁気圏界面の位置は、太陽風によって及ぼされる圧力に依存し、太陽風は太陽活動に依存する。[19]磁気圏界面の前方（ 木星の中心から80～130 R Jの距離）には、太陽風が磁気圏と衝突することで生じる、太陽風の航跡のような擾乱であるバウショックがある。[20] [21]ボウショックと磁気圏界面の間の領域はマグネトシースと呼ばれる。[6]
木星の反対側では、太陽風が木星の磁力線を引き伸ばして長く尾を引く磁気圏尾部を形成し、時には土星の軌道をはるかに超えて伸びる。[22]木星の磁気圏尾部の構造は地球のものと似ている。2つのローブ（図の青い部分）で構成され、南ローブの磁場は木星に向けられ、北ローブの磁場は木星から遠ざかる方向を向いている。ローブは尾部電流シートと呼ばれるプラズマの薄い層（中央のオレンジ色の層）によって分離されている。[22]
木星の磁気圏の形状は、木星の自転とともに尾部プラズマシートを流れる中性シート電流（磁気尾部電流とも呼ばれる） 、磁気尾部の外側境界で木星の自転に逆らって流れる尾部電流、および昼側磁気圏界面に沿って自転に逆らって流れる磁気圏界面電流（またはチャップマン・フェラーロ電流）によって維持されている。[11]これらの電流は、磁気圏の外側の内部磁場を打ち消す磁場を作り出す。[22]これらは太陽風とも大きく相互作用する。[11]
木星の磁気圏は伝統的に、内磁気圏、中磁気圏、外磁気圏の3つの部分に分けられる。内磁気圏は、 惑星から 10 R J未満の距離に位置する。磁気圏赤道プラズマシートを流れる電流の寄与が小さいため、その内部の磁場はほぼ双極子のままである。中磁気圏（10 R J から 40 R Jの間）および外磁気圏（40 R Jより遠い ）では、磁場は双極子ではなく、プラズマシートとの相互作用によって大きく乱される（以下の磁気ディスクを参照）。[6]
イオの役割
木星の磁気圏は全体的に形が地球のそれに似ているが、惑星に近づくにつれて構造は大きく異なっている。[19]木星の火山活動が活発な衛星イオは、それ自体が強力なプラズマ発生源であり、木星の磁気圏に毎秒1,000 kgもの新しい物質を注入している。[7]イオの強力な火山噴火は大量の二酸化硫黄を放出し、その大部分は電子衝突と、より少ない程度ではあるが太陽紫外線によって原子に解離してイオン化し、硫黄と酸素のイオンを生成する。さらなる電子衝突によりより高い電荷状態が生成され、S +、O +、S 2+、O 2+、S 3+のプラズマが生じる。[23]これらはイオプラズマトーラス、つまりイオの軌道近くで木星を取り囲む厚くて比較的低温のプラズマのリングを形成する。 [7]トーラス内のプラズマ温度は10～100 eV（100,000～1,000,000 K）で 、放射線帯の粒子の温度10 keV（1億K）よりもはるかに低い。トーラス内のプラズマは木星と共回転を強いられており、両者の自転周期は同じである。[24]イオトーラスは木星磁気圏のダイナミクスを根本的に変えている。[25]
いくつかの過程（主な脱出メカニズムは拡散と交換不安定性）の結果として、プラズマはゆっくりと木星から漏れ出している。 [24]プラズマが惑星から遠ざかるにつれて、その内部を流れる径方向電流は徐々に速度を増し、共回転を維持する。[6]これらの径方向電流は磁場の方位角成分の発生源でもあり、その結果、回転に逆らって曲がる。[26]プラズマの粒子数密度は、イオトーラスの約 2,000 cm −3 から、距離 35 R J で約 0.2 cm −3 に減少する。[ 27 ]木星から10 R Jを超える距離にある中部磁気圏では 、共回転が徐々に崩れ、プラズマは惑星よりもゆっくりと回転し始める。[6]最終的に、およそ 40 R Jを超える距離 （外部磁気圏）では、このプラズマは磁場に閉じ込められなくなり、磁気圏尾部を通って磁気圏を離れる。[28]冷たく高密度のプラズマが外側に移動するにつれて、 外側の磁気圏から20keV（2億K）以上の温度の高温低密度プラズマが移動してきます。[ 27]このプラズマの一部は木星に近づくにつれて断熱加熱され、[29]木星の内側の磁気圏内に放射線帯を形成する可能性があります。[7]
磁気ディスク
地球の磁場は大体涙滴型であるが、木星の磁場はより平らで、円盤に近く、軸の周りを周期的に「揺れ」ている。[30]この円盤状の構造の主な理由は、共回転するプラズマからの遠心力と高温プラズマの熱圧力であり、この両方が木星の磁力線を引き伸ばす働きをし、木星から20 R J を超える距離で磁気円盤として知られる平らなパンケーキのような構造を形成する 。 [6] [31]磁気円盤は中間面[23]に薄い電流シートを持ち、ほぼ磁気赤道付近にある。磁力線はシートの上では木星から離れ、シートの下では木星に向かっている。[19]イオからのプラズマの負荷により、磁気円盤が太陽風の圧力とバランスをとる追加の内部圧力を生成するため、木星磁気圏のサイズが大幅に拡大する。[20]イオが存在しない場合、惑星から太陽直下の磁気圏界面までの距離は42 R J以下となるが 、実際には平均75 R Jである 。 [6]
磁気円盤の磁場の構成は、赤道プラズマシートを回転しながら流れる方位環電流（地球の環電流の類似物ではない）によって維持されている。 [32]この電流と惑星の磁場の相互作用から生じるローレンツ力は、求心力を生み出し、共回転するプラズマが惑星から逃げるのを防いでいる。赤道電流シートの全環電流は、9000万～1億6000万アンペアと推定されている。[6] [26]
ダイナミクス
共回転と放射状流
木星の磁気圏の主な原動力は、惑星の自転である。[33]この点で、木星はユニポーラ発電機と呼ばれる装置に似ている。木星が自転すると、その電離層は惑星の双極子磁場に対して相対的に移動する。双極子磁気モーメントは自転の方向を向いているため、[11]この運動の結果として現れるローレンツ力は、負に帯電した電子を極に押しやり、正に帯電したイオンは赤道に向かって押しやられる。[ 34 ]その結果、極は負に帯電し、赤道に近い領域は正に帯電する。木星の磁気圏は導電性の高いプラズマで満たされているため、電気回路はそこを通って閉じている。[34]直流電流[注 2]と呼ばれる電流が、磁力線に沿って電離層から赤道プラズマシートまで流れる。この電流はその後、赤道プラズマシート内を惑星から放射状に流れ、最終的に磁極につながる磁力線に沿って磁気圏の外縁から惑星の電離層に戻る。磁力線に沿って流れる電流は、一般に沿磁力線電流またはビルケランド電流と呼ばれる。[26]放射状電流は惑星の磁場と相互作用し、その結果生じるローレンツ力は磁気圏プラズマを惑星の自転方向に加速する。これが木星の磁気圏内でプラズマの共回転を維持する主なメカニズムである。[34]
電離層からプラズマシートに流れる電流は、プラズマシートの対応する部分が惑星よりも遅く回転しているときに特に強くなります。[34]前述のように、共回転は木星から 20 R J から 40 R Jの間の領域で崩れます 。この領域は磁気円盤に対応し、磁場が大きく引き伸ばされています。[35]磁気円盤に流入する強い直流電流は、木星の磁極から約16 ± 1 °の非常に限られた緯度範囲で発生します。これらの狭い円形領域は、木星の主なオーロラオーバルに対応します。 (下記参照)。[36] 50 R Jを超える外部磁気圏から流れる戻り電流は、 極近くの木星電離層に入り、電気回路を閉じます。木星磁気圏内の全放射状電流は、6,000 万～1 億 4,000 万アンペアと推定されています。[26] [34]
プラズマが共回転方向に加速されると、木星の自転エネルギーがプラズマの運動エネルギーに伝達される。[6] [25]その意味では、木星の磁気圏は惑星の自転によって駆動されるのに対し、地球の磁気圏は主に太陽風によって駆動される。[25]
インターチェンジの不安定性と再接続
木星磁気圏のダイナミクスを解読する上で直面する主な問題は、6 R Jのイオトーラスから 50 R J以上離れた外部磁気圏への 重い冷たいプラズマの輸送である。[35]このプロセスの正確なメカニズムは不明であるが、交換不安定性によるプラズマ拡散の結果として発生すると仮定されている。このプロセスは、流体力学におけるレイリー・テイラー不安定性に似ている。[24]木星磁気圏の場合、遠心力が重力の役割を果たしており、重い液体は冷たく密度の高いイオニア（つまりイオに関係する）プラズマであり、軽い液体は外部磁気圏からの高温で密度がはるかに低いプラズマである。[24]この不安定性により、プラズマで満たされた磁束管が磁気圏の外側と内側の間で交換される。浮力のある空のフラックスチューブは惑星に向かって移動し、イオニアプラズマで満たされた重いチューブを木星から遠ざけます。[24]このフラックスチューブの交換は磁気圏乱流の一種です。[37]
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この極めて仮説的なフラックスチューブ交換の図は、ガリレオ宇宙船によって部分的に確認された。ガリレオ宇宙船は、内部磁気圏内でプラズマ密度が急激に減少し、磁場強度が増加した領域を検出した。[ 24]これらの空隙は、外部磁気圏から到達するほぼ空のフラックスチューブに対応している可能性がある。中部磁気圏では、ガリレオは、外部磁気圏からの高温プラズマが磁気ディスクに衝突して高エネルギー粒子のフラックスが増加し、磁場が強化される、いわゆる注入イベントを検出した。[39]冷たいプラズマが外向きに輸送されるメカニズムはまだわかっていない。
冷たいイオニアのプラズマを含んだフラックスチューブが外部磁気圏に到達すると、再結合プロセスを経て磁場とプラズマが分離される。[35]前者は高温で密度の低いプラズマで満たされたフラックスチューブの形で内部磁気圏に戻り、後者はプラズモイド（大きなプラズマの塊）の形で磁気圏尾部に放出されると考えられる。再結合プロセスは、ガリレオ宇宙船でも観測された、2～3日ごとに定期的に発生する地球規模の再構成イベントに対応している可能性がある。[40]再構成イベントには通常、磁場の強度と方向の急激で無秩序な変化、およびプラズマの動きの急激な変化が含まれ、プラズマはしばしば共回転を止めて外側に流れ始めた。これらは主に夜間磁気圏の夜明けのセクターで観測された。[40]開いた磁力線に沿って尾部を流れるプラズマは、惑星風と呼ばれる。[23] [41]
再結合イベントは、地球の磁気圏における磁気サブストームに類似している。 [35]違いは、それぞれのエネルギー源にあるようだ。地球のサブストームでは、太陽風のエネルギーが磁気圏尾部に蓄えられ、その後、尾部の中性電流シートの再結合イベントを通じて放出される。後者は、尾部を下って移動するプラズモイドも生成する。[42]逆に、木星の磁気圏では、回転エネルギーは磁気ディスクに蓄えられ、プラズモイドがそこから分離するときに放出される。[40]
太陽風の影響
木星磁気圏のダイナミクスは主に内部のエネルギー源に依存しているが、太陽風もおそらく役割を果たしており、[43]特に高エネルギー陽子の供給源として。[注 3] [7]外部磁気圏の構造は、顕著な夜明けと夕暮れの非対称性など、太陽風駆動磁気圏の特徴を示している。[26]特に、夕暮れセクターの磁力線は夜明けセクターの磁力線と反対方向に曲がっている。[26]さらに、夜明けの磁気圏には磁気圏尾部につながる開いた磁力線があるのに対し、夕暮れの磁気圏では磁力線は閉じている。[22]これらすべての観測結果は、地球でダンジーサイクルとして知られる太陽風駆動の再結合プロセスが木星磁気圏でも起こっている可能性があることを示している。[35] [43]
太陽風が木星の磁気圏のダイナミクスにどの程度影響を与えているかは現在のところ不明であるが[44]、太陽活動が活発な時期には特に強くなる可能性があります。[45]オーロラ電波、[4]可視光線およびX線放射、[46]放射線帯からのシンクロトロン放射はすべて太陽風圧力と相関関係を示しており、太陽風がプラズマの循環を駆動したり、磁気圏内の内部プロセスを調整したりしている可能性を示唆しています。[40]
排出量
オーロラ
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北極と南極におけるオーロラの平均的な位置
（アニメーション）。
（アニメーション）。
木星は両極付近で明るく持続的なオーロラを呈する。地球のオーロラは一過性で太陽活動が活発なときにのみ発生するが、木星のオーロラは恒久的であるが、その強さは日によって異なる。オーロラは3つの主な要素から構成される。主楕円は磁極から約16°のところにある明るく狭い（幅1000km未満）円形の特徴である。[48]衛星のオーロラ斑点は木星の電離層と最大の衛星の電離層を結ぶ磁力線の跡に相当し、主楕円内に位置する一時的な極放射である（楕円磁場と言った方が適切かもしれない）。[48] [49]オーロラ放射は電波からX線（3keVまで）まで電磁スペクトルのほぼすべての部分で検出されている。これらは中赤外線（波長3～4μmおよび7～14μm）と遠紫外線スペクトル領域（波長120～180nm）で最も頻繁に観測される。[9]
主楕円は木星オーロラの大部分を占める。その形状と位置はほぼ安定しているが[49]、その強度は太陽風の圧力によって大きく変動し、太陽風が強いほどオーロラは弱くなる。[50]前述のように、主楕円は磁気円盤プラズマと木星電離層の間の電位降下によって加速される電子の強い流入によって維持されている。[51]これらの電子は沿磁力線電流を運び、磁気円盤内でプラズマの共回転を維持する。[35]電位降下が生じるのは、赤道シートの外側のまばらなプラズマでは不安定性を引き起こしたり電位降下を作ったりすることなく限られた強度の電流しか運べないためである。[36]降下する電子は 10～100 keV のエネルギーを持ち、木星の大気圏深くまで浸透して分子状水素を電離・励起し、紫外線を放射する。[52]電離層に入力されるエネルギーの総量は10～100 TWです。[53]さらに、電離層を流れる電流はジュール熱と呼ばれるプロセスによって電離層を加熱します。この加熱は最大300 TWの電力を生み出し、木星のオーロラからの強い赤外線放射と木星の熱圏の加熱に部分的に関与しています。[54]
これらの斑点は、ガリレオ衛星のイオ、エウロパ、ガニメデに対応することがわかった。[55]これらは、プラズマの共回転が衛星と相互作用し、その付近で減速するために発生する。最も明るい斑点はイオのもので、イオは磁気圏内のプラズマの主な発生源である（上記参照）。イオニアのオーロラ斑点は、木星からイオニア電離圏へ流れるアルヴェン電流に関係していると考えられている。エウロパの斑点はこれに似ているが、大気が希薄でプラズマ源が弱いため、はるかに暗い。エウロパの大気は、イオの大気を生成する火山活動ではなく、表面の水氷の昇華によって生成される。[56]ガニメデには、独自の内部磁場と磁気圏がある。この磁気圏と木星の磁気圏の相互作用により、磁気再結合による電流が発生する。カリストに関連するオーロラ斑はおそらくエウロパのものと似ているが、2019年6月現在で一度しか観測されていない。 [57] [58]通常、カリストにつながる磁力線は、主なオーロラオーバルのすぐ近く、またはその沿って木星の大気に接触するため、カリストのオーロラ斑を検出することは困難である。
明るい弧や斑点が主楕円の中に散発的に現れる。これらの一時的な現象は、太陽風または外部磁気圏のダイナミクスとの相互作用に関連していると考えられている。[49]この領域の磁力線は開いているか、磁気圏尾部に位置していると考えられている。[49]二次楕円は主楕円の内側で時々観測され、開いた磁力線と閉じた磁力線の境界、または極カスプに関連している可能性がある。 [ 59]極域のオーロラ放射は、地球の両極付近で観測されるものと似ている可能性がある。つまり、太陽の磁場が惑星の磁場と再結合する間に、電子が電位降下によって惑星に向かって加速されるときに現れる。[35]オーロラX線のほとんどを主楕円内の領域が放射している。オーロラX線放射のスペクトルは、高度にイオン化された酸素と硫黄のスペクトル線で構成されており、これはおそらく、エネルギーの高い（数百キロ電子ボルト）SイオンとOイオンが木星の極大気に沈殿したときに現れるものです。この沈殿の源は不明ですが、これはこれらの磁力線が開いていて太陽風につながっているという理論と矛盾しています。[46]
電波波長で見た木星
木星は、数キロヘルツから数十メガヘルツに及ぶスペクトル領域で強力な電波源となっている。約 0.3 MHz 未満の周波数(つまり 1 km を超える波長) の電波は、木星キロメートル放射 (KOM) と呼ばれる。0.3～3 MHz の周波数 (波長 100～1000 m) の電波はヘクトメートル放射 (HOM) と呼ばれ、3～40 MHz の範囲 (波長 10～100 m) の放射はデカメートル放射 (DAM) と呼ばれる。後者の放射は地球から最初に観測されたものであり、その約 10 時間周期から木星起源であることが特定された。デカメートル放射の最も強い部分はイオおよびイオ-木星電流系に関連し、イオ-DAM と呼ばれる。[60] [注 4]
これらの放射の大部分は、オーロラ領域の近くで発生する「サイクロトロンメーザー不安定性」と呼ばれるメカニズムによって生成されると考えられています。磁場と平行に移動する電子は大気中に落下しますが、十分な垂直速度を持つ電子は収束する磁場によって反射されます。その結果、速度分布が不安定になります。この速度分布は、局所的な電子サイクロトロン周波数で電波を自発的に生成します。電波の生成に関与する電子は、おそらく惑星の極から磁気ディスクに電流を運ぶ電子です。[61]木星の電波放射の強度は通常、時間とともに滑らかに変化します。ただし、より緩やかな変化に重なり、他のすべての成分よりも明るくなることがある、短く強力な放射のバースト (S バースト) があります。DAM 成分の総放射電力は約 100 GW で、他のすべての HOM/KOM 成分の電力は約 10 GW です。比較すると、地球の電波放射の総電力は約 0.1 GW です。[60]
木星の電波と粒子の放射は自転によって強く変調されており、そのため木星はパルサーに似ている。[62]この周期的な変調は、おそらく木星磁気圏の非対称性に関係しており、これは自転軸に対する磁気モーメントの傾きと高緯度の磁気異常によって引き起こされる。木星の電波放射を支配する物理は、電波パルサーの物理と似ている。両者は規模が異なるだけであり、木星も非常に小さな電波パルサーと見なすことができる。[62]さらに、木星の電波放射は太陽風圧に大きく依存しており、したがって太陽活動にも大きく依存している。[60]
比較的波長の長い放射に加えて、木星は0.1～15GHz（波長3m～2cm）の周波数のシンクロトロン放射（木星デシメトリック放射またはDIM放射とも呼ばれる）も放射している。 [63]これらの放射は、木星の内側の放射帯に閉じ込められた相対論的電子からのものである。DIM放射に寄与する電子のエネルギーは0.1～100MeVであるが、[64]主な寄与は1～20MeVのエネルギーを持つ電子によるものである。[8]この放射は十分に理解されており、1960年代初頭から木星の磁場と放射帯の構造を研究するために使用されてきた。[65]放射帯の粒子は外部磁気圏内で発生し、内部磁気圏に輸送される際に断熱的に加速される。[29]しかし、これには中程度に高いエネルギーの電子（>> 1 keV）の源集団が必要であり、この集団の起源は十分に理解されていません。
木星の磁気圏は高エネルギー電子とイオン（数十メガ電子ボルトのエネルギー）の流れを放出し、地球の軌道まで到達する。[66]これらの流れは非常に集束しており、電波放射のように惑星の自転周期に応じて変化する。この点でも木星はパルサーとの類似性を示している。[62]
リングと衛星との相互作用
木星の広大な磁気圏は、木星の環と4つのガリレオ衛星すべての軌道を覆っている。[67]磁気赤道付近を周回するこれらの天体は、磁気圏プラズマの発生源と吸収源として機能し、磁気圏からの高エネルギー粒子が表面を変化させる。粒子は表面から物質をはじき飛ばし、放射線分解によって化学変化を引き起こす。[68]プラズマは惑星と共回転するため、プラズマは衛星の後縁の半球と相互作用しやすく、顕著な半球非対称性が生じる。[69]
木星の近くでは、惑星のリングと小さな衛星が放射線帯からの高エネルギー粒子（10 keVを超えるエネルギー）を吸収します。[70]これにより、ベルトの空間分布に顕著なギャップが作成され、デシメトリックシンクロトロン放射が影響を受けます。実際、木星のリングの存在は、惑星に近い高エネルギーイオンの数の急激な減少を検出したパイオニア11号宇宙船のデータに基づいて最初に仮説が立てられました。 [70]惑星の磁場は、太陽の紫外線の影響を受けて電荷を帯びるサブミクロンのリング粒子の動きにも強く影響します。その動作は、共回転イオンの挙動に似ています。[71]共回転と粒子の軌道運動の間の共鳴相互作用は、木星の最も内側のハローリング（1.4〜1.71 R Jの間に位置）の形成を説明するために使用されました。このリングは、非常に傾斜した軌道と離心率の高い軌道を周回するサブミクロン粒子で構成されています。 [72]粒子は主リングに由来しますが、木星に向かって移動すると、1.71 RJにある強い 3:2 ローレンツ共鳴によって軌道が修正され、傾斜角と離心率が高まります。[注 5] 1.4 Rj にある別の 2:1 ローレンツ共鳴がハローリングの内側の境界を定義します。[73]
ガリレオ衛星はすべて、表面圧力が0.01～1 nbarの薄い大気を持ち、電子密度が1,000～10,000 cm −3の大きな電離層を支えている。[67]冷たい磁気圏プラズマの共回転流は、電離層に誘導された電流によって衛星の周囲に部分的に逸らされ、アルヴェンの翼として知られるくさび形の構造を形成する。[75]大きな衛星と共回転流の相互作用は、太陽風と金星のような磁化されていない惑星の相互作用に似ているが、共回転速度は通常亜音速[注 6]（速度は74～328 km/s）であるため、弓状衝撃波の形成が妨げられる。[76]共回転するプラズマの圧力により、衛星の大気（特にイオの大気）からガスが絶えず剥ぎ取られ、これらの原子の一部はイオン化されて共回転する。このプロセスにより、イオニアトーラスが最も顕著なガスとプラズマトーラスが衛星の軌道の近くに生成される。[67]実際には、ガリレオ衛星（主にイオ）は木星の内部磁気圏と中部磁気圏の主なプラズマ源として機能している。一方、エネルギー粒子はアルヴェーン翼の影響をほとんど受けず、衛星の表面に自由にアクセスできる（ガニメデを除く）。[77]
氷のガリレオ衛星であるエウロパ、ガニメデ、カリストはいずれも、木星の磁場の変化に応じて誘導磁気モーメントを生成する。これらの変化する磁気モーメントは、周囲に双極子磁場を作り出し、周囲の磁場の変化を補正する働きをする。[67]この誘導は、木星の大きな氷の衛星のすべてに存在する可能性が高い、地下の塩水層で起こると考えられている。これらの地下の海には生命が存在する可能性があり、その存在の証拠は、1990年代に宇宙船によってなされた最も重要な発見の1つであった。[78]
木星磁気圏とガニメデの相互作用は、固有の磁気モーメントを持つが、磁化されていない衛星との相互作用とは異なる。[78]ガニメデの内部磁場は、木星の磁気圏内にガニメデの直径の約2倍の空洞を彫り、木星の磁気圏内にミニ磁気圏を形成する。ガニメデの磁場は、磁気圏の周囲を回転するプラズマの流れを逸らす。また、磁力線が閉じている月の赤道領域を高エネルギー粒子から保護する。高エネルギー粒子は、磁力線が開いているガニメデの極に自由に衝突することができる。[79]高エネルギー粒子の一部はガニメデの赤道付近に閉じ込められ、ミニ放射線帯を形成する。[80]ガニメデの薄い大気圏に進入する高エネルギー電子が、観測されるガニメデの極オーロラの原因である。[79]
荷電粒子はガリレオ衛星の表面特性にかなりの影響を及ぼしている。イオから発生するプラズマは硫黄イオンとナトリウムイオンを惑星から遠ざけ、[81]これらはエウロパとガニメデの後半球に優先的に注入される。[82]しかしカリストでは、理由は不明だが硫黄が前半球に集中している。[83]プラズマは衛星の後半球を暗くする原因にもなっている可能性がある（これもカリストは除く）。[69]高エネルギー電子とイオン（後者の流束はより等方性）は表面の氷に衝突し、原子や分子を弾き飛ばして水やその他の化合物の放射線分解を引き起こす。高エネルギー粒子は水を酸素と水素に分解し、氷の衛星の薄い酸素大気を維持する（水素はより速く逃げるため）。ガリレオ衛星の表面で放射線分解によって生成される化合物には、オゾンや過酸化水素もある。[84]有機物や炭酸塩が存在する場合、二酸化炭素、メタノール、炭酸も生成される可能性があります。硫黄が存在する場合、二酸化硫黄、二硫化水素、硫酸などの生成物が発生する可能性があります。[84]放射線分解によって生成された酸化剤は、酸素やオゾンのように氷の中に閉じ込められ、地質学的時間間隔で海に運ばれ、生命のエネルギー源となる可能性があります。[81]
発見
木星の磁場の存在を示す最初の証拠は、1955年にデカメートル電波放射（DAM）の発見によって得られた。[85] DAMのスペクトルは40MHzまで拡張されたため 、天文学者は木星は最大1ミリテスラ（10 ガウス）を超える強度の磁場を持っているに違いないと結論付けた。[63]
1959年、電磁波（EM）スペクトルの マイクロ波部分（0.1～ 10GHz）の観測により、木星の10倍放射（DIM）が発見され、それが木星の放射線帯に閉じ込められた相対論的電子から放出されるシンクロトロン放射であることが判明しました。 [86]これらのシンクロトロン放射は、木星の周りの電子の数とエネルギーを推定するために使用され、磁気モーメントとその傾きの推定値の改善につながりました。[7]
1973年までに磁気モーメントは2倍以内の誤差で判明し、傾きは正確に約10°と推定された。[18]木星のDAMがイオによって変調されること（いわゆるイオDAM）は1964年に発見され、木星の自転周期を正確に決定することができた。[4]木星の磁場が決定的に発見されたのは1973年12月、パイオニア10号宇宙船が木星の近くを飛んだときだった。[1] [注7]
1970年以降の探査
2009年現在、合計8機の宇宙船が木星の周りを飛行しており、そのすべてが木星の磁気圏に関する現在の知識に貢献しています。木星に到達した最初の宇宙探査機は1973年12月のパイオニア10号で、木星の中心から2.9 R J [18]以内を通過しました 。 [1]その双子のパイオニア11号は1年後に木星を訪れ、非常に傾斜した軌道に沿って移動し、木星に1.6 R Jまで接近しました 。[18]
パイオニア10号は、20 R J以内の内側放射線帯を通過した際に、 内部磁場を最もよくカバーし[6] 、電子から200,000ラド、陽子から56,000ラドの総量を浴びた(人間の場合、全身に500ラドを浴びると致命的となる)。[87] 木星の放射線レベルはパイオニアの設計者が予測したよりも10倍強力で、探査機が生き残れないのではないかとの懸念を招いた。しかし、いくつかの小さな不具合はあったものの、探査機は放射線帯を通過することに成功した。これは、その時点で木星の磁気圏がわずかに上方に「揺れ」、探査機から遠ざかっていたことが大きな要因であった。しかし、パイオニア11号は、放射線が原因で撮像写真偏光計が多数の誤ったコマンドを受信したため、イオの画像のほとんどを失った。その後に開発された、はるかに技術的に進歩したボイジャー宇宙船は、大量の放射線レベルに対処するために再設計する必要があった。[30]
ボイジャー1号と2号は1979年から1980年にかけて木星に到着し、ほぼ赤道面を移動した。木星の中心から5 R J以内を通過したボイジャー1号[18]は、イオのプラズマトーラスに初めて遭遇した。[6]人間の致死量の1000倍の放射線量を浴び、イオとガニメデの高解像度画像の一部に深刻な損傷が発生した。[88]ボイジャー2号は10 R J以内を通過し[18]、赤道面の電流シートを発見した。次に木星に接近した探査機は1992年のユリシーズで、木星の極磁気圏を調査した。[6]
1995年から2003年にかけて木星を周回したガリレオ宇宙船は、赤道面付近の木星の磁場を最大100 R Jの距離まで包括的に調査した。調査された領域には、磁気圏尾部と夜明けと夕暮れの磁気圏が含まれていた。[6]ガリレオは木星の厳しい放射線環境に無事に耐えたが、それでもいくつかの技術的な問題に遭遇した。特に、宇宙船のジャイロスコープはしばしば誤差の増加を示した。宇宙船の回転部分と非回転部分の間で電気アークが数回発生し、セーフモードに入り、16、18、33番目の軌道のデータが完全に失われた。放射線はまた、ガリレオの超安定水晶発振器の位相シフトを引き起こした。[89]
カッシーニ探査機が2000年に木星を通過した際、ガリレオと共同で測定を行った。[6] ニューホライズンズは2007年に木星に接近し、木星磁気圏尾部の独自の調査を実施し、 長さに沿って2500 R Jまで移動した。 [38] 2016年7月、ジュノーは木星軌道に投入され、その科学的目的には木星の極磁気圏の探査が含まれる。[90]木星磁気圏のカバー範囲は、地球の磁場に比べてまだはるかに狭い。木星磁気圏のダイナミクスをさらに理解するには、さらなる研究が重要である。[6]
2003年、NASAは太陽系外縁部の将来の有人探査に関する「有人外惑星探査」（HOPE）という概念研究を実施した。木星からの距離が遠く、地質学的に安定しているため、カリストに地表基地を建設する可能性が議論された。カリストは木星のガリレオ衛星の中で唯一、有人探査が可能な衛星である。イオ、エウロパ、ガニメデの電離放射線レベルは人命に有害であり、適切な防護策はまだ考案されていない。[91]
2010年以降の探査
木星探査機「ジュノー・ニュー・フロンティア」は2011年に打ち上げられ、2016年に木星に到着した。この探査機には、磁気圏をより深く理解するために設計された一連の機器が搭載されており、磁力計のほか、プラズマや電波の検出器「Waves」などの装置も搭載されている。
木星 オーロラ分布観測実験（JADE）機器も磁気圏の理解に役立つはずだ。[92]
ジュノー計画の主な目的は、木星の極磁気圏を探索することです。ユリシーズは一時的に緯度約 48 度に到達しましたが、これは木星から比較的遠い距離 (約 8.6 RJ) でした。したがって、木星の極磁気圏は大部分が未知の領域であり、特にオーロラ加速領域は一度も訪れたことがありません。...
— 木星探査機ジュノーの波動調査[93]
ジュノーは、比較的大きなダイナモ半径によるものと思われる、空間的に変動に富んだ惑星磁場を明らかにした。2017年後半までの最も驚くべき観測結果は、主オーロラに関連する強力な磁場沿流（ビルケランド電流）の予想される磁気的特徴が見られなかったことである。[94]
2023年4月に打ち上げられる欧州宇宙機関の木星氷衛星探査（JUICE）ミッションの目標の一つは、ガニメデの磁場とそれが木星に与える影響を理解することだ。天問4号は中国が提案しているミッションで、衛星カリストの探査かイオに関するさらなる情報の収集を行う予定だ。
注記
- ^ 磁気モーメントは、赤道磁場の強さと木星の半径の3乗の積に比例し、木星の半径は地球の11倍である。
- ^木星磁気圏内の直流電流は、電気回路で使用される 直流電流と混同しないでください。後者は交流電流の逆です。
- ^ 木星の電離層も陽子の重要な発生源である。[7]
- ^ 非イオDAMはイオDAMよりもはるかに弱く、HOM放射の高周波テールです。[60]
- ^ ローレンツ共鳴は、粒子の軌道速度と惑星の磁気圏の自転周期の間に存在する共鳴です。角周波数の比がm : n (有理数) の場合、科学者はそれをm : nローレンツ共鳴と呼びます。したがって、3:2 共鳴の場合、木星から約 1.71 R Jの距離にある粒子は惑星の周りを 3 周しますが、その間に惑星の磁場は 2 周します。[73]
- ^ 技術的には、流れは「準高速」、つまり高速磁気音波モードよりも遅いことを意味します。流れは音響音速よりも速いです。
- ^ パイオニア10号はヘリウムベクトル磁力計を搭載し、木星の磁場を直接測定した。また、この探査機はプラズマや高エネルギー粒子の観測も行った。[1]
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さらに読む
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