Joint research for Jovian icy moons - space plasma interaction

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20KK0074
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 土屋 史紀 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10302077)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 古賀 亮一 名古屋大学, 環境学研究科, 学振特別研究員(PD) (10889190) ; 木村 智樹 東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 准教授 (50578804) ; 村上 豪 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (50734026) ; 吉岡 和夫 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (70637131) ; 垰 千尋 国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所電磁波伝搬研究センター, 研究員 (80552562)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2024-03-31
• Keywords: 木星 / イオ / エウロパ / 氷衛星

Outline of Annual Research Achievements

木星磁気圏の高温プラズマと氷衛星の相互作用に注目し、相互作用により生じる氷衛星の希薄大気の観測を通して、生命存在可能環境を持つ可能性がある氷衛星の地下海の探査を試みる。このために次の２つの課題を掲げている。①木星磁気圏内の高温プラズマ環境の形成過程と動特性の解明。②高温プラズマによる氷衛星表層変性・大気生成の観測検討と、将来計画の要素技術開発。
ここまでの研究成果の概要は以下の通りである。(1)氷衛星が周回する木星の内部磁気圏内では、高温電子の生成が磁気圏のエネルギーバランスを支配している。高温電子の動特性を解明するため、紫外線宇宙望遠鏡「ひさき」の観測データを用いて高温電子生成領域を調査した。交換型不安定によるプラズマ輸送理論とは異なる特徴が明らかになりつつある。(2)欧州の木星氷衛星探査計画JUICEに搭載される電波観測を用いた氷衛星大気の観測シミュレーションを進めている。木星電波の掩蔽観測により、ガニメデやエウロパの電離大気の空間構造を導出できることがGalileo探査機のデータから実証された。この成果を元に、木星電波の掩蔽観測モードをJUICE探査機のオンボードソフトウェアに実装した。(3)日本の次世代紫外線望遠鏡計画の要素技術開発（分光器、検出器、望遠鏡）に先立ち、概念検討を実施した。(4)また、紫外線を用いた観測から氷衛星大気と磁気圏プラズマの相互作用を明らかにするため、テスト粒子計算を用いた紫外線発光分布の数値計算モデルの構築を行った。特に、氷衛星大気の発光の南北非対称構造の成因について理解を深めた。
(5)プラズマと氷衛星表層の相互作用を研究するための室内実験を進め、初期成果を得た。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

予定していた研究計画のうち、2/3は予定通り進行している。一方、米国の研究協力者と共同で実施することにしていた、Juno木星探査機の粒子観測の校正作業がコロナ禍のため遅れている。今後は、粒子観測に限定せずに、電磁波動データも含めたJuno探査機データの活用を模索する予定である。

Strategy for Future Research Activity

①木星磁気圏内の高温プラズマ環境の形成過程と動特性の解明について、次の３点に取り組む。
(1) 「ひさき」により観測された紫外線分光スペクトルからイオプラズマトーラスの電子密度・電子温度・高温電子密度・イオン組成を導出する。これを木星探査機Junoが観測した高温電子密度・温度と比較し、木星内部磁気圏のプラズマパラメータを決定する。 (2) 高温電子密度の突発的な増大により生じる、極端紫外線の増大を「ひさき」により観測する。Junoの電磁波観測データと比較することにより、磁気圏内で解放されたエネルギーが内部磁気圏に再配分される過程を調べる。(3)衛星イオの大気を模した二酸化硫黄ガスの紫外線吸収スペクトルを測定する実験室実験を行い、紫外線吸収スペクトルから大気の物理・化学状態を推定する手法の開発に取り組む。イオ大気からのガスの散逸過程の理解につなげるとともに、将来の紫外線宇宙望遠鏡ミッションのフィジビリティ研究に使用する。
②高温プラズマによる氷衛星表層変性・大気生成の観測検討と、将来計画の要素技術開発については、以下の４点に取り組む。
(4) 氷衛星エウロパの大気・表層に入力される磁気圏プラズマをテスト粒子計算により評価する。評価結果を次世代紫外線宇宙望遠鏡のフィジビリティ研究に使用する。(5) 木星氷衛星探査計画JUICEで計画されている電波掩蔽観測のシミュレーションを実施し、観測データの評価方法を確立する。 (6)実験室での照射実験により、磁気圏プラズマが氷衛星の表層風化に及ぼす影響を評価する。(7) 日本の次世代紫外線宇宙望遠鏡の概念検討として、望遠鏡の光学設計、主鏡の高反射率コーティング、分光器の分散素子の評価実験を実施する。

Causes of Carryover

新型コロナウィルス感染症による海外への渡航制限のため、予定されてた海外出張が取りやめとなった。この出張はR4年度に実施される見込みとなっているため、海外出張旅費として使用する計画である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Applied Physics Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Applied Physics Laboratory
• [Int'l Joint Research] Observatoire de Paris(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Observatoire de Paris
• [Int'l Joint Research] Swedish Institute of Space Physics/Royal Institute of Technology(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: Swedish Institute of Space Physics/Royal Institute of Technology
• [Journal Article] Effect of Meteoric Ions on Ionospheric Conductance at Jupiter (2022)
  • Author(s): Nakamura Yuki、Terada Koichiro、Tao Chihiro、Terada Naoki、Kasaba Yasumasa、Leblanc Fran?ois、Kita Hajime、Nakamizo Aoi、Yoshikawa Akimasa、Ohtani Shinichi、Tsuchiya Fuminori、Kagitani Masato、Sakanoi Takeshi、Murakami Go、Yoshioka Kazuo、Kimura Tomoki、Yamazaki Atsushi、Yoshikawa Ichiro
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2022JA030312
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画 (2022)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, LAPYUTAワーキンググループ
  • Organizer: 光赤天連シンポジウム
• [Presentation] LAPYUTA：惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画 (2022)
  • Author(s): 村上豪, 土屋史紀, 山崎敦, 古賀亮一, 鍵谷将人,吉岡和夫,木村智樹, 木村淳, LAPYUTA WG
  • Organizer: 宇宙生命探査シンポジウム
• [Presentation] 惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画の検討状況 (2022)
  • Author(s): 土屋史紀,村上豪,山崎敦,木村智樹,吉岡和夫,鍵谷将人,古賀亮一,木村淳,成田憲保,亀田真吾,生駒大洋,大内正己,田中雅臣,益永圭,堺正太朗,垰千尋,桑原正輝,鳥海森,LAPYUTA WG検討チーム
  • Organizer: 日本天文学会
• [Presentation] ひさき衛星観測から明らかとなった木星イオプラズマトーラス朝夕非対称性変動のモデリング (2022)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上 豪, 鍵谷将人, 吉岡和夫, 吉川一郎, 木村智樹, 北 元, 山崎 敦, 三澤浩昭, 笠羽康正
  • Organizer: 宇宙科学シンポジウム2022
• [Presentation] 惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画 (2022)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 木村智樹, 吉岡和夫, 鍵谷将人, 古賀亮一, 木村淳, 成田憲保, 亀田真吾, 生駒大洋, 大内正己, 田中雅臣, 益永圭, 堺正太朗, 垰千尋, 桑原正輝, 鳥海森, LAPYUTA WG
  • Organizer: 宇宙科学シンポジウム2022
• [Presentation] 惑星科学、生命圏科学、および 天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡 計画の提案 (2021)
  • Author(s): 土屋 史紀, 村上 豪, 山崎 敦, 木村 智樹, 吉岡 和夫, 鍵谷 将人, 古賀 亮一, 木村 淳, 成田 憲保, 亀田 真吾, 生駒 大洋, 大内 正己, 田中 雅臣, 益永 圭, 堺 正太朗, 垰 千尋, 桑原 正輝, 鳥海 森
  • Organizer: 第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [Presentation] Long-term monitoring of Jupiter's aurora and Io torus by Hisaki EXCEED (2021)
  • Author(s): 北 元, 木村 智樹, 土屋 史紀, 村上 豪, 山崎 敦, 垰 千尋, 古賀 亮一, 疋田 伶奈, 吉岡 和夫, 吉川 一朗
  • Organizer: 第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [Presentation] Variability of Io plasma torus based on ground-based observation during 2015 through 2021 (2021)
  • Author(s): 鍵谷 将人, 土屋 史紀, 坂野井 健
  • Organizer: 第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [Presentation] Numerical radar simulation for the explorations of the ionosphere at Jupiter's icy moons (2021)
  • Author(s): 安田 陸人, 木村 智樹, 三澤 浩昭, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 笠羽 康正
  • Organizer: 第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [Presentation] Estimation of apparent areas of Earth-orbiting UV telescope required to detect water plumes on icy moons (2021)
  • Author(s): 古賀 亮一, 土屋 史紀, 村上 豪, 堺 正太朗
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Performance, Operation and their Feasibilities for Jupiter and Icy Moons: High Frequency Receiver of Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI) aboard JUICE during the Flight Model Test campaign (2021)
  • Author(s): 笠羽 康正, 三澤 浩昭, 土屋 史紀, 木村 智樹, 北 元, 熊本 篤志, 加藤 雄人, 三好 由純, 笠原 禎也, 八木谷 聡, 小嶋 浩嗣, Cecconi Baptiste
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Future observations of Juvian system with LAPYUTA (Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly) (2021)
  • Author(s): 土屋 史紀, 村上 豪, 古賀 亮一, 鍵谷 将人, 木村 智樹, 吉岡 和夫, 山崎 敦, 堺 正太朗, 木村 淳, 垰 千尋
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantitative analysis of hot electron density variation during transient brightening in the Io plasma torus observed by Hisaki/EXCEED (2021)
  • Author(s): 古川 研斗, 土屋 史紀, 吉岡 和夫, 疋田 伶奈, 木村 智樹, 鍵谷 将人, 村上 豪, 山崎 敦, 北, 元, 吉川 一朗
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical radar simulation for the explorations of the ionosphere and plume at Jupiter's icy moons (2021)
  • Author(s): 安田 陸人, 木村 智樹, 三澤 浩昭, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 笠羽 康正
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The dynamics of Jovian inner magnetospheric plasma based on a radial diffusion model and the HISAKI observation (2021)
  • Author(s): 山口 和輝, 土屋 史紀, 木村 智樹, 坂野井, 鍵谷 将人, 川面 洋平, 古賀 亮一, 吉岡 和, 疋田 伶奈
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical simulation of the passive subsurface radar for Jupiter's icy moons (2021)
  • Author(s): 木村 智樹, 安田 陸人, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 三澤 浩昭, 笠羽 康正
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure and variability of Io plasma torus observed with the Tohoku 60-cm telescope (2021)
  • Author(s): M. Kagitani, F. Tsuchiya, T. Sakanoi
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] o plasma torus and Jovian aurora activities seen by Hisaki and future icy moon UV observation platform (2021)
  • Author(s): F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, K. Yoshioka, T. Kimura, C. Tao, R. Koga, H. Kita, M. Kuwabara, K. Masunaga, S. Sakai, M. Kagitani, R. Hikida, T. Sakanoi , H. Misawa, Y. Kasaba, I. Yoshikawa , the Hisaki science team, and the LAPYUTA working team
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Using Hisaki neutral oxygen observations and 3D modeling for insight into Io and its neutral torus (2021)
  • Author(s): H. T. Smith, Ryoichi Koga, and Fuminori Tsuchiya
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021 (2021)
  • Author(s): T. Kimura, R. Yasuda, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, H. Misawa, and Y. Kasaba
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA) mission: instrument overview (2021)
  • Author(s): G. Murakami, F. Tsuchiya, M. Kagitani, A. Yamazaki, K. Yoshioka, M. Kuwabara, K. Enya, and S. Matsuda
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal variation of the Io plasma torus seen from Hisaki satellite (2021)
  • Author(s): K. Yoshioka, F. Tsuchiya, M. Kagitani, F. Bagenal, N. Schneider, G. Murakami, T. Kimura, A. Yamazaki, H. Kita, E. Nerney, I. Yoshikawa, and R. Hikida
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The response of Jovian inner magnetospheric plasma to the neutral source changes from Io: Comparison of a radial diffusion model with the HISAKI observation (2021)
  • Author(s): K. Yamaguchi, F. Tsuchiya, T. Kimura, M. Kagitani, T. Sakanoi, Y. Kawazura, Y. Katoh, R. Koga, K. Yoshioka, R. Hikida, I. Yoshikawa, G. Murakami, and A. Yamazaki
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Long-term monitoring of Jupiter’s aurora and Io torus by Hisaki EXCEED (2021)
  • Author(s): H. Kita, T. Kimura, F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, C. Tao, R. Koga, R. Hikida, K. Yoshioka, and I. Yoshikawa
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of meteoric ions on Jupiter’s ionospheric conductance (2021)
  • Author(s): Y. Nakamura, K. Terada, C. Tao, N. Terada, Y. Kasaba, H. Kita, A. Nakamizo, A. Yoshikawa, S. Ohtani, F. Tsuchiya, M. Kagitani, T. Sakanoi, G. Murakami, K. Yoshioka, T. Kimura, A. Yamazaki, and I. Yoshikawa
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quasi-Periodic Variation of Jupiter’s Aurora Observed by Hisaki Compared with Magnetospheric Dynamics (2021)
  • Author(s): C. Tao, T. Kimura, E. A. Kronberg, F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, M. F. Vogt, B. Bonfond, K. Yosihoka, I. Yoshikawa, Y. Kasaba, H. Kita, and S. Okamoto
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of dawn-to-dusk electric field in the Jovian inner magnetosphere via Region-2 like FAC (2021)
  • Author(s): Y. Nakamura, K. Terada, C. Tao, N. Terada, Y. Kasaba, H. Kita, A. Nakamizo, A. Yoshikawa, S. Ohtani, F. Tsuchiya, M. Kagitani, T. Sakanoi, G. Murakami, K. Yoshioka, T. Kimura, A. Yamazaki, and I. Yoshikawa
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡計画 (2021)
  • Author(s): 土屋史紀, 村上豪, 山崎敦, 木村智樹, 吉岡和夫, 鍵谷将人, 古賀亮一, 木村淳, 成田憲保, 亀田真吾, 生駒大洋, 大内正己, 田中雅臣, 益永圭, 堺正太朗, 垰千尋, 桑原正輝, 鳥海森, LAPYUTAワークンググループ
  • Organizer: 日本惑星科学会