Loading article…
木星の磁気圏は、木星の磁場によって太陽風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近くまで広がる木星の磁気圏は、太陽系で最大かつ最も強力な惑星磁気圏であり、体積では太陽圏に次いで太陽系で知られている最大の連続構造です。地球の磁気圏よりも幅広く平坦な木星の磁気圏は、地球の磁気圏よりも1桁強く、磁気モーメントは約18,000倍も大きくなっています。木星の磁場の存在は、1950年代末に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号探査機によって直接観測されました。
木星の内部磁場は、惑星の外核内の電流によって生成され、外核は液体金属水素で構成されていると理論づけられています。木星の衛星イオの火山噴火は大量の二酸化硫黄ガスを宇宙空間に放出し、惑星の周囲に大きなトーラスを形成します。木星の磁場は、トーラスを惑星と同じ角速度と方向で回転させます。トーラスは、磁場にプラズマを蓄積し、その過程で磁場をパンケーキのような構造、すなわち磁気円盤に引き伸ばします。事実上、木星の磁気圏は、地球の磁気圏のように太陽風によってではなく、主にイオのプラズマと自身の回転によって形作られる内部駆動です。[ 6 ]磁気圏の強い電流は、惑星の極の周囲に永久オーロラと強烈な変動電波放射を生成し、木星は非常に弱い電波パルサーと考えることができます。木星のオーロラは、赤外線、可視光線、紫外線、軟X線など、電磁スペクトルのほぼすべての領域で観測されている。
磁気圏の作用により粒子が捕捉・加速され、強烈な放射線帯が発生します。高エネルギー粒子が木星の主要衛星の表面と相互作用することで、それらの化学的・物理的性質が著しく変化します。また、これらの粒子は、木星の希薄な惑星環系内の粒子の運動に影響を与え、また影響を受けます。放射線帯は宇宙船、ひいては有人宇宙飛行士にとって重大な危険をもたらします。
木星の磁気圏は、バウショック、磁気圏鞘、磁気圏界面、磁気尾、磁気円盤、その他の構成要素からなる複雑な構造です。木星周辺の磁場は、惑星の核における流体循環（内部磁場）、木星を取り巻くプラズマ中の電流、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生じています。磁気圏は、惑星間磁場を運ぶ太陽風のプラズマの中に埋め込まれています。[ 10 ]
地球と同様に、木星の磁場の大部分は、外核内の導電性流体の循環によって支えられる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向きに向いている）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、四重極、八重極、およびそれ以上の成分もありますが、それらは双極子成分の10分の1以下の強さです。[ 2 ]
双極子は木星の自転軸から約 10° 傾いており、その傾きは地球の傾き (11.3°) と似ています。[ 1 ] [ 2 ]赤道磁場の強さは約 417.0 μT (4.170 G ) で、[ 12 ]これは双極子磁気モーメントが約 2.83 × 10 20 T · m 3に相当します。これにより、木星の磁場は地球の約 20 倍強く、磁気モーメントは約 20,000倍大きくなります。[ 13 ] [ 14 ] [注 1 ]木星の磁場は、大気の下の領域と同じ速度で回転し、周期は 9時間55分です。1970年代半ばにパイオニア探査機が最初の測定を行って以来、2019年まで、その強度や構造に変化は観測されていなかった。ジュノー探査機の観測の分析によると、パイオニア時代に観測された惑星の磁場から、小さくても測定可能な変化が見られた。[ 15 ] [ 16 ]特に、木星には赤道付近に「グレートブルースポット」と呼ば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 ]
木星の内部磁場は、太陽から放出される電離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、代わりに太陽風を惑星から遠ざけ、太陽風の流れの中に磁気圏と呼ばれる空洞を作り出します。磁気圏は太陽風とは異なるプラズマで構成されています。 [ 6 ]木星の磁気圏は非常に大きく、太陽とその目に見えるコロナが余裕を持ってその中に収まります。[ 18 ]地球から木星の磁気圏を見ることができたら、地球からの距離が約1700倍も遠いにもかかわらず、空では満月の5倍も大きく見えるでしょう。 [ 18 ]
地球の磁気圏と同様に、木星の磁気圏内で、より密度が高く低温の太陽風プラズマと、より高温で密度の低い太陽風プラズマを隔てる境界は、磁気圏界面と呼ばれます。[ 6 ]磁気圏界面から惑星の中心までの距離は、太陽直下点（観測者から見て太陽が真上に見える表面上の固定されていない点）で、45～100 R J（R J = 71,492 km は木星の半径）です。 [ 6 ]磁気圏界面の位置は、太陽風によって加えられる圧力に依存し、その圧力は太陽活動に依存します。[ 19 ]磁気圏界面の前方（惑星の中心から80～130 R Jの距離）には、太陽風が磁気圏と衝突することによって生じる航跡のような擾乱であるバウショックがあります。[ 20 ] [ 21 ]バウショックと磁気圏界面の間の領域は磁気圏鞘と呼ばれます。[ 6 ]
惑星の反対側では、太陽風が木星の磁力線を長く引き伸ばして、土星の軌道をはるかに超える長さの磁気尾部を形成している。[ 22 ]木星の磁気尾部の構造は地球のものと似ている。2つのローブ（図中の青い部分）からなり、南側のローブの磁場は木星に向かっており、北側のローブの磁場は木星から離れ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薄いプラズマ層（中央のオレンジ色の層）によって隔てられている。[ 22 ]
上述の木星の磁気圏の形状は、尾部プラズマシートを木星の自転とともに流れる中性シート電流（磁気尾電流とも呼ばれる）、磁気尾の外縁で木星の自転に逆らって流れる尾電流、および昼側の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、磁気圏外の内部磁場を打ち消す磁場を生成する。[ 22 ]また、太陽風とも大きく相互作用する。[ 11 ]
木星の磁気圏は、伝統的に内側、中間、外側の3つの部分に分けられています。内側磁気圏は、惑星から10 R J以内の距離に位置しています。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す。中間（10～40 R J）および外側（40 R Jより遠い）磁気圏では、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ます（下の磁気円盤を参照）。[ 6 ]
木星の磁気圏の全体的な形状は地球の磁気圏に似ているが、惑星に近い部分ではその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源であり、 毎秒最大1,000 kgもの新しい物質を木星の磁気圏に供給している。[ 7 ]イオの激しい火山噴火は大量の二酸化硫黄を放出し、その大部分は電子の衝突と、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イオン化され、硫黄と酸素のイオンが生成される。さらに電子の衝突によってより高い電荷状態が生成され、S +、O +、S 2+、O 2+および S 3+のプラズマが生成される。[ 23 ]これらはイオのプラズマトーラスを形成する。これは木星を囲む厚く比較的低温のプラズマの環で、イオの軌道付近に位置する。[ 7 ]トーラス内のプラズマ温度は 10〜100 eV (100,000〜1,000,000 K) であり、放射線帯の粒子の温度 10 keV (1億K) よりはるかに低い。トーラス内のプラズマは木星と共回転するように強制され、つまり両者は同じ回転周期を共有する。[ 24 ]イオのトーラスは木星の磁気圏のダイナミクスを根本的に変化させる。[ 25 ]
拡散と交換不安定性が主な脱出メカニズムであるいくつかのプロセスの結果、プラズマは木星からゆっくりと漏れ出していく。 [ 24 ]プラズマが惑星から遠ざかるにつれて、プラズマ内部を流れる半径方向の電流の速度が徐々に増加し、共回転が維持される。[ 6 ]これらの半径方向の電流は、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、イオのトーラス内の約 2,000 cm −3 から、35 R J の距離で約 0.2 cm −3 まで減少する。[ 27 ]木星から10 R Jを超える距離にある中磁気圏では、共回転が徐々に崩壊し、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、約 40 R J (外側磁気圏)を超える距離では、このプラズマはもはや磁場に閉じ込められず、磁気尾を通って磁気圏を離れます。 [ 28 ]冷たく密度の高いプラズマが外側に移動すると、外側磁気圏から移動してくる高温で密度の低いプラズマ (最高 20 keV (2億K) 以上) に置き換わります。[ 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 ]木星の内側磁気圏の放射線帯を形成する可能性があります。[ 7 ]
地球の磁場はおおよそ涙滴型ですが、木星の磁場はより平らで、円盤に似ており、その軸を中心に周期的に「揺れ」ます。[ 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であり、どちらも木星の磁力線を引き伸ばし、惑星から20 R Jを超える距離で、平らなパンケーキのような構造、すなわち磁気円盤を形成します。 [ 6 ] [ 31 ]磁気円盤の中央面には薄い電流シートがあり、[ 23 ]ほぼ磁気赤道付近にあります。磁力線はシートの上では木星から離れる方向を向き、シートの下では木星に向かっています。[ 19 ]イオからのプラズマの負荷は木星の磁気圏の大きさを大きく拡大します。これは、磁気円盤が太陽風の圧力と釣り合う追加の内部圧力を生み出すためです。[ 20 ]イオが存在しない場合、惑星から太陽直下点の磁気圏界面までの距離は42 R J以下になるが、実際には平均で75 R Jである。 [ 6 ]
磁気円盤の磁場の構成は、回転とともに赤道プラズマシートを流れる方位角リング電流（地球のリング電流の類似物ではない）によって維持される。 [ 32 ]この電流と惑星磁場との相互作用によって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出すのを防ぐ。赤道電流シートの全リング電流は9000万～1億6000 万アンペアと推定されている。[ 6 ] [ 26 ]
木星の磁気圏の主な駆動力は、惑星の自転です。[ 33 ]この点において、木星は単極発電機と呼ばれる装置に似ています。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します。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生じるローレンツ力は、負に帯電した電子を極に押し、正に帯電したイオンを赤道に押し出します。[ 34 ]その結果、極は負に帯電し、赤道に近い領域は正に帯電します。木星の磁気圏は高導電性のプラズマで満たされているため、電気回路はそれを通して閉じられます。[ 34 ]直流電流[注2 ]と呼ばれる電流が、電離層から赤道プラズマシートまで磁力線に沿って流れます。この電流は、赤道プラズマシート内で惑星から放射状に流れ、最終的に極に接続された磁力線に沿って磁気圏の外縁部から惑星電離層に戻ります。磁力線に沿って流れる電流は、一般に磁力線に沿った電流またはバークランド電流と呼ばれます。[ 26 ]放射状電流は惑星の磁場と相互作用し、結果として生じるローレンツ力によって磁気圏プラズマが惑星の自転方向に加速されます。これが、木星の磁気圏におけるプラズマの共回転を維持する主なメカニズムです。[ 34 ]
電離層からプラズマシートへ流れる電流は、プラズマシートの対応する部分が惑星よりもゆっくり回転する場合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 ～ 40 R Jの間の領域で崩壊します。この領域は、磁場が非常に引き伸ばされている磁気円盤に対応します。[ 35 ]磁気円盤に流れ込む強い直流電流は、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、木星の主オーロラ楕円に対応します。（下記参照）[ 36 ] 50 R Jを超える外側磁気圏から流れる戻り電流は、極付近で木星の電離層に入り、電気回路を閉じます。木星の磁気圏における総半径方向電流は、6000 万～ 1億4000 万アンペアと推定されています。[ 26 ] [ 34 ]
プラズマが共回転に加速されると、木星の自転エネルギーからプラズマの運動エネルギーへのエネルギーの伝達が起こる。 [ 6 ] [ 25 ]その意味で、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 ]
木星磁気圏のダイナミクスを解明する際に遭遇する主な問題は、6 R Jのイオトーラスから50 R J以上の距離にある外側磁気圏への重く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説が立てられている。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いる。重い液体は冷たく密度の高いイオニア (つまりイオに関連する) プラズマであり、軽い液体は外側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の磁気圏の外側と内側の部分の間で交換が行われる。浮力のある空の磁束管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磁束管を木星から遠ざける。[ 24 ]この磁束管の交換は磁気圏乱流の一形態である。[ 37 ]
この非常に仮説的な磁束管交換の図は、ガリレオ探査機によって部分的に確認されました。ガリレオ探査機は、内側磁気圏でプラズマ密度が急激に低下し、磁場強度が上昇した領域を検出しました。[ 24 ]これらの空洞は、外側磁気圏から到着するほぼ空の磁束管に対応している可能性があります。中間磁気圏では、ガリレオは、外側磁気圏からの高温プラズマが磁気円盤に衝突し、高エネルギー粒子のフラックスの増加と磁場の強化につながる、いわゆる注入イベントを検出しました。[ 39 ]低温プラズマが外側に輸送されるメカニズムはまだ知られていません。
冷たいイオニアプラズマを蓄えた磁束管が外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ます。[ 35 ]前者は高温で密度の低いプラズマで満たされた磁束管の形で内磁気圏に戻り、後者はおそらくプラズマの大きな塊であるプラズモイドの形で磁気尾部を下方に放出されます。再結合プロセスは、ガリレオ探査機によっても観測された、2～3日ごとに定期的に発生したグローバル再構成イベントに対応している可能性があります。[ 40 ]再構成イベントには通常、磁場強度と方向の急速かつ混沌とした変化、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停止し、外向きに流れ始めました。これらは主に夜間磁気圏の夜明けセクターで観測されました。[ 40 ]開いた磁力線に沿って尾部を下方に流れるプラズマは惑星風と呼ばれます。[ 23 ] [ 41 ]
磁気リコネクション現象は、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尾部に蓄積され、尾部の中性電流シートにおけるリコネクション現象によって放出される。後者では、尾部を下るプラズモイドも生成される。[ 42 ]一方、木星の磁気圏では、回転エネルギーは磁気ディスクに蓄積され、プラズモイドがそこから分離するときに放出される。[ 40 ]
木星磁気圏のダイナミクスは主に内部エネルギー源に依存しているが、太陽風も役割を果たしている可能性があり、[ 43 ]特に高エネルギー陽子の供給源として。[注3 ] [ 7 ]外側磁気圏の構造は、顕著な夜明け-夕暮れ非対称性を含む、太陽風駆動磁気圏の特徴をいくつか示している。[ 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は逆方向に曲がっている。[ 26 ]さらに、夜明け磁気圏には磁気尾部につながる開いた磁力線があるのに対し、夕暮れ磁気圏では磁力線は閉じている。[ 22 ]これらの観測結果はすべて、地球でダンジーサイクルとして知られる太陽風駆動の磁気リコネクション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及ぼす影響の程度は現在不明であるが、[ 44 ]太陽活動が活発な時期には特に強い可能性がある。[ 45 ]オーロラの電波、[ 4 ]光およびX線放射、[ 46 ]ならびに放射線帯からのシンクロトロン放射はすべて太陽風圧との相関を示しており、太陽風がプラズマ循環を駆動したり、磁気圏内部の内部プロセスを調節したりする可能性があることを示唆している。[ 40 ]
木星は両極の周囲に明るく持続的なオーロラを示します。地球のオーロラは一時的で太陽活動が活発な時にのみ発生しますが、木星のオーロラは永続的で、その強度は日によって変化します。オーロラは主に 3 つの構成要素から成ります。 磁極から約 16° の位置にある明るく狭い (幅 1000 km 未満) 円形の特徴であるメイン オーバル[ 47 ]、木星の電離層と最大の衛星の電離層を結ぶ磁力線の痕跡に対応する衛星のオーロラスポット、メイン オーバル内に位置する一時的な極域放射 (楕円形のフィールドの方がより適切な表現かもしれません) [ 47 ] [ 48 ]オーロラ放射は、電波から X 線 (最大 3 keV) 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ます 。これらは、中赤外線（波長3～ 4μmおよび7～ 14μm）および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主要部分です。それらはおおよそ安定した形状と位置を持ちますが、[ 48 ]その強度は太陽風の圧力によって大きく変調されます。太陽風が強いほど、オーロラは弱くなります。[ 49 ]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た電子の強い流入によって維持されます。[ 50 ]これらの電子は磁力線に沿った電流を運び、磁気円盤内のプラズマの共回転を維持します。[ 35 ]電位降下は、赤道面外の疎なプラズマが不安定性を引き起こし電位降下を生じさせることなく、限られた強度の電流しか運ぶことができないために発生します。[ 36 ]降下する電子は10～100 keVのエネルギーを持ち 、木星の大気の奥深くまで侵入し、そこで分子水素を電離および励起して紫外線を放出します。[ 51 ]電離層への総エネルギー入力は 10〜100 TWです。[ 52 ]さらに、電離層を流れる電流は、ジュール加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、木星の熱圏の加熱の一部に関与しています。[ 53 ]
ガリレオ衛星イオ、エウロパ、ガニメデ[ 54 ]およびカリストに対応する黒点が発見された。これらの黒点は、プラズマの共回転が衛星と相互作用し、その近傍で減速されるために発生する。最も明るい黒点はイオのもので、磁気圏のプラズマの主な発生源である（上記参照）。イオニアオーロラ黒点は、木星の電離層からイオニアの電離層へ流れるアルヴェーン電流に関連していると考えられている。エウロパの黒点は似ているが、大気がより希薄でプラズマの発生源が弱いため、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、表面からの水の氷の昇華によって生成される[ 55 ] 。ガニメデは内部磁場と独自の磁気圏を持っている。この磁気圏と木星の磁気圏との相互作用により、磁気リコネクションによる電流が発生する。カリストに関連するオーロラスポットは、おそらくエウロパのものと似ている。[ 56 ] [ 57 ]通常、カリストに関連する磁力線は、木星の大気の主オーロラ楕円のすぐ近くまたは沿って接触するため、カリストのオーロラスポットを検出することは困難である。2025年9月、ジュノー探査機を運用する科学者たちは、2019年9月にジュノーが取得したデータを集中的に分析した後、ついに木星のオーロラにカリストの痕跡が存在することを確認した。この読み取りは、巨大な太陽流が木星の磁気圏を揺さぶった時期に行われ、一時的にカリストの不明瞭なオーロラの痕跡が明らかになった。[ 58 ]
明るい弧や斑点が主楕円内に散発的に現れる。これらの一時的な現象は、太陽風または外側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。[ 48 ]この領域の磁力線は開いているか、磁気尾にマッピングされていると考えられている。[ 48 ]二次楕円は主楕円内に見られることがあり、開いた磁力線と閉じた磁力線の境界または極尖に関連している可能性がある。 [ 59 ]極オーロラの放射は、地球の極付近で観測されるものと似ている可能性がある。すなわち、太陽磁場と惑星の磁場が再接続する際に、電位降下によって電子が惑星に向かって加速されるときに現れる。[ 35 ]主楕円内の領域は、オーロラX線の大部分を放出する。オーロラのX線放射スペクトルは、高エネルギー（数百キロ電子ボルト）のSイオンとOイオンが木星の極大気に降下する際に現れると考えられる、高度に電離した酸素と硫黄のスペクトル線から構成されている。この降下の発生源は不明であるが、これはこれらの磁力線が開いていて太陽風と繋がっているという理論とは矛盾する。[ 46 ]
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です。周波数が約 0.3 MHz 未満（したがって波長が 1 km より長い）の電波は、木星キロメートル波放射 (KOM)と呼ばれます。周波数が 0.3～3 MHz (波長が 100～1000 m)の範囲にある電波はヘクトメートル波放射 (HOM ) と呼ばれ、3～40 MHz (波長が 10～100 m)の範囲にある電波はデカメートル波放射 (DAM ) と呼ばれます。後者の電波は地球から最初に観測されたもので、その約 10 時間の周期性から木星からのものであると特定されました。デカメートル波放射の最も強い部分は、イオとイオ-木星電流系に関連しており、イオ-DAM と呼ばれています。[ 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。磁場に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。これにより不安定な速度分布が生じます。この速度分布は、局所的な電子サイクロトロン周波数で自発的に電波を生成します。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円盤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。しかし、より緩やかな変化に重畳された短く強力なバースト（Sバースト）の放射があり、他のすべての成分を凌駕することがあります。DAM成分の総放射電力は約100 GWですが、他のすべてのHOM/KOM成分の電力は約10 GWです。これに対し、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、その自転によって強く変調されるため、木星はパルサーにいくらか似ている。[ 62 ]この周期的な変調は、おそらく木星の磁気圏の非対称性に関連しており、これは回転軸に対する磁気モーメントの傾きと高緯度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、電波パルサーのそれと似ている。両者の違いはスケールだけであり、木星も非常に小さな電波パルサーとみなすことができる。[ 62 ]さらに、木星の電波放射は太陽風圧に強く依存し、したがって太陽活動にも強く依存する。[ 60 ]
木星は、比較的長波長の放射に加えて、周波数が 0.1～15 GHz (波長が 3 m から 2 cm)の範囲のシンクロトロン放射(木星デシメートル放射または DIM 放射としても知られる) も放出します。 [ 63 ]これらの放射は、惑星の内側の放射線帯に捕捉された相対論的電子によるものです。DIM 放射に寄与する電子のエネルギーは 0.1～100 MeV ですが、[ 64 ]主な寄与は 1～20 MeV のエネルギー範囲の電子によるものです。[ 8 ]この放射はよく理解されており、1960 年代初頭から惑星の磁場と放射線帯の構造を研究するために使用されました。[ 65 ]放射線帯の粒子は外側の磁気圏で発生し、内側の磁気圏に輸送されるときに断熱的に加速されます。[ 29 ]しかし、これには中程度の高エネルギー電子（>> 1 keV）の発生源が必要であり、この発生源はよく理解されていない。
木星の磁気圏は、地球の軌道まで到達する高エネルギー電子とイオンの流れ（エネルギーは数十メガ電子ボルトに達する）を放出する。 [ 66 ]これらの流れは高度にコリメートされており、電波放射のように惑星の自転周期に応じて変化する。この点においても、木星はパルサーと類似性を示す。[ 62 ]
木星の広大な磁気圏は、その環系とガリレオ衛星4つすべての軌道を包み込んでいる。[ 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および吸収源として機能し、磁気圏からの高エネルギー粒子がそれらの表面を変化させる。粒子は表面から物質をスパッタリングし、放射線分解によって化学変化を引き起こす。[ 68 ]プラズマが惑星と共回転しているため、プラズマは衛星の後縁半球と優先的に相互作用し、顕著な半球非対称性を引き起こす。[ 69 ]
木星の近くでは、惑星の環と小さな衛星が 放射線帯から高エネルギー粒子（10 keV を超えるエネルギー）を吸収します。[ 70 ]これにより、放射線帯の空間分布に顕著なギャップが生じ、デシメートルシンクロトロン放射に影響を及ぼします。実際、木星の環の存在は、惑星の近くで高エネルギーイオンの数が急激に減少していることを検出したパイオニア 11 号のデータに基づいて最初に仮説として立てられました。 [ 70 ]惑星の磁場は、太陽紫外線の影響で電荷を獲得するサブマイクロメートルの環粒子の運動にも強く影響します。それらの挙動は、共回転イオンの挙動と似ています。 [ 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環（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ています。この環は、傾斜角が大きく離心率の高い軌道上のサブマイクロメートルサイズの粒子で構成されています。 [ 72 ]粒子は主環で発生しましたが、木星に向かって漂流すると、1.71 R Jに位置する強い 3:2 ローレンツ共鳴によって軌道が修正され、傾斜角と離心率が増大します。[注 5 ] 1.4 Rj にある別の 2:1 ローレンツ共鳴がハロー環の内側の境界を規定しています。[ 73 ]
ガリレオ衛星はすべて、表面気圧が 0.01～1 nbar の薄い大気を持ち、その大気は、電子密度が 1,000～10,000 cm −3の範囲にある相当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、電離層で誘導される電流によって衛星の周囲で部分的に方向を変えられ、アルヴェーン翼として知られるくさび形の構造が形成される。[ 75 ]大きな衛星と共回転流との相互作用は、太陽風と金星のような非磁化惑星との相互作用に似ているが、共回転速度は通常亜音速である[注 6 ] (速度は 74 ～ 328 km/s の範囲で変化する) ため、バウショックの形成は妨げられる。[ 76 ]共回転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が電離され、共回転する。このプロセスにより、衛星の軌道付近にガスとプラズマのトーラスが形成され、イオニアのトーラスが最も顕著である。[ 67 ]事実上、ガリレオ衛星（主にイオ）は、木星の内側および中間磁気圏における主要なプラズマ源として機能する。一方、高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（ガニメデを除く）に自由に到達する。[ 77 ]
ガリレオ衛星の氷衛星エウロパ、ガニメデ、カリストはすべて、木星の磁場の変化に応じて誘導磁気モーメントを生成します。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生成し、周囲の磁場の変化を補償する働きをします。[67] この誘導は、木星の大きな氷衛星すべてに存在すると考えられる塩水の地下層で起こると考えられています。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年代に宇宙探査機によってなされた最も重要な発見の1つでした。[ 78 ]
固有の磁気モーメントを持つガニメデと木星の磁気圏の相互作用は、非磁化衛星との相互作用とは異なります。[ 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倍の直径の空洞を刻み、木星の磁気圏内にミニ磁気圏を作り出します。ガニメデの磁場は、磁気圏の周囲で同方向に回転するプラズマの流れをそらします。また、磁力線が閉じている衛星の赤道領域を高エネルギー粒子から保護します。後者は、磁力線が開いているガニメデの極には自由に衝突することができます。[ 79 ]高エネルギー粒子の一部はガニメデの赤道付近に捕捉され、ミニ放射線帯を形成します。[ 80 ]薄い大気に侵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す。[ 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与えます。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くまで運び、[ 81 ]エウロパとガニメデの後方半球に優先的に注入されます。[ 82 ]しかし、カリストでは、理由は不明ですが、硫黄は前方半球に集中しています。[ 83 ]プラズマは、衛星の後方半球を暗くする原因にもなっている可能性があります（ただし、カリストは例外です）。[ 69 ]高エネルギーの電子とイオン（後者のフラックスはより等方的です）が表面の氷に衝突し、原子や分子をスパッタリングして、水やその他の化学物質の放射線分解を引き起こします。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します（水素の方が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、オゾンと過酸化水素も含まれます。[ 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、硫酸などが生成される可能性があります。[ 84 ]酸素やオゾンなどの放射線分解によって生成された酸化剤は、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 ]
木星の磁場の存在を示す最初の証拠は、1955年にデカメートル波放射（DAM）が発見されたことで得られた。[ 85 ] DAMのスペクトルが40MHzまで広がったことから、天文学者たちは木星が最大1ミリテスラ（ 10ガウス）以上の磁場を持っているに違いないと結論付けた。[ 63 ]
1959年、電磁スペクトルのマイクロ波領域（0.1～10 GHz ）での観測により、木星のデシメートル放射（DIM）が発見され、それが惑星の放射線帯に捕捉された相対論的電子によって放出されるシンクロトロン放射であることが認識されました。 [ 86 ]これらのシンクロトロン放射は、木星周辺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精度の向上につながりました。[ 7 ]
1973年までに、磁気モーメントは2倍以内の精度で判明し、傾斜角は約10°と正確に推定された。[ 18 ]イオによる木星のDAMの変調（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 ]木星の磁場の決定的な発見は、パイオニア10号探査機が惑星の近くを飛行した1973年12月に起こった。[ 1 ] [注7 ]
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、それらはすべて木星の磁気圏に関する現在の知識に貢献している。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、惑星の中心から2.9 R J [ 18 ]以内を通過した。 [ 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を進み、惑星に1.6 R Jまで接近した。[ 18 ]
パイオニア10号は、20 R J以内の内側放射線帯を通過する際に、利用可能な最高の内部磁場カバレッジを提供しました[ 6 ] 。電子から200,000ラド、陽子から56,000ラドの積算線量を受けました（人間の場合、全身に500ラドの線量を受けると致命的です）。[ 87 ] 木星の放射線レベルは、パイオニアの設計者が予測していたよりも10倍強力で、探査機が生き残れないのではないかという懸念が生じました。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ができました。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した。しかし、パイオニア11号は、放射線によって撮像光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いました。その後に開発された、はるかに技術的に進んだボイジャー宇宙船は、膨大な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年に木星に到着し、ほぼ赤道面を航行した。惑星の中心から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 ] 。ボイジャー1号は人間の致死量の1000倍の放射線量を受け、その損傷によりイオとガニメデの高解像度画像の一部が深刻な劣化をきたした[ 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、惑星の極磁気圏を調査した[ 6 ] 。
1995年から2003年まで木星を周回したガリレオ探査機は、最大100 R Jの距離で赤道面付近の木星の磁場を包括的にカバーした。調査された領域には、磁気尾部と磁気圏の夜明け側と夕暮れ側が含まれる。[ 6 ]ガリレオは木星の過酷な放射線環境下で無事に運用されたが、いくつかの技術的な問題も発生した。特に、探査機のジャイロスコープは誤差が増大することが多かった。探査機の回転部と非回転部の間で何度か電気アークが発生し、セーフモードに入ったため、16周目、18周目、33周目のデータが完全に失われた。放射線はガリレオの超安定水晶発振器の位相シフトも引き起こした。[ 89 ]
カッシーニ探査機が2000年に木星をフライバイした際、ガリレオ探査機と協調して測定を行った。[ 6 ]ニューホライズンズ探査機は2007年に木星に接近し、木星の磁気尾部を独自に調査し、その長さに沿って最大2500 R Jまで移動した。[ 38 ] 2016年7月、ジュノー探査機が木星軌道に投入され、その科学的目標には木星の極磁気圏の探査が含まれている。[ 90 ]木星の磁気圏の観測範囲は、地球の磁場に比べてはるかに狭い。木星の磁気圏のダイナミクスをさらに理解するためには、さらなる研究が重要である。[ 6 ]
2003年、NASAは太陽系外縁部への将来の有人探査に関する「有人外惑星探査計画」（HOPE）と呼ばれる概念研究を実施した。木星からの距離が近く放射線レベルが低いことと、カリストの地質学的安定性から、カリストに地表基地を建設する可能性が検討された。カリストは、有人探査が可能な木星のガリレオ衛星の中で唯一のものである。イオ、エウロパ、ガニメデの電離放射線レベルは人間の生命にとって有害であり、適切な保護対策はまだ考案されていない。[ 91 ]
木星探査機ジュノー・ニュー・フロンティアーズは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観測機器が搭載されており、磁力計のほか、プラズマや電波を検出する「Waves」と呼ばれる装置なども含まれている。
木星 オーロラ分布実験装置（JADE）は、磁気圏の理解にも役立つはずである。[ 92 ]
ジュノー探査ミッションの主要な目的の一つは、木星の極域磁気圏を探査することである。ユリシーズ探査機は一時的に約48度の緯度に到達したが、これは木星から比較的遠い距離（約8.6 RJ）でのことだった。そのため、木星の極域磁気圏は大部分が未踏の領域であり、特にオーロラ加速領域はこれまで一度も探査されたことがない。
ジュノーは、比較的大きなダイナモ半径が原因である可能性のある、空間的に変動の大きい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は、主オーロラに関連する強い磁力線に沿った電流（バークランド電流）の予想される磁気的特徴がなかったことである。 [ 94 ]
2023年4月に打ち上げられた欧州宇宙機関（ESA）の木星氷衛星探査機（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及ぼす影響を理解することです。天問4号は、カリストの衛星を探査するか、イオに関するより多くの情報を収集することを目的とした、中国が提案しているミッションです。