Joint research for Jovian icy moons - space plasma interaction

2022 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, 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, 主任研究員 (80552562)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2024-03-31
• Keywords: 木星 / 氷衛星 / イオ / エウロパ / ガニメデ

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、以下の①・②について研究を遂行した。
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：(1) 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」により観測するとともに、米国のJuno探査機により得られた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た。(2) 木星磁気圏プラズマの主要源となっている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を行った。
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：(3)木星内部磁気圏のプラズマパラメータを入力として、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した。エウロパの表層・大気に衝突したプラズマによって生じるエウロパ大気の空間構造と紫外線波長域での発光強度を見積もり、ハッブル宇宙望遠鏡による高解像度画像と比較することにより、計算の妥当性を評価し、日本の次世代紫外線宇宙望遠鏡のフィジビリティ研究に適用可能なツールが開発された。(4) 欧州の木星氷衛星探査計画JUICEで計画されている木星電波の掩蔽観測のシミュレーションをレイトレーシング手法により実施し、観測データの評価方法を確立した。 (5)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ことに成功した。(6) 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した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ひさき衛星を用いた木星内部磁気圏の高温プラズマ環境の解析やJUICE探査機搭載装置の観測検討が進み、研究実績の概要に記述した(1),(4),(5)の研究成果では投稿論文の執筆準備が進められている。昨年度は新型コロナウィルス感染症による海外渡航制限で制約を受けていた米国Juno探査機のデータ解析も開始され、今後研究成果が挙がることが期待される。

Strategy for Future Research Activity

ここまでの研究成果により、(1) 「ひさき」衛星と米国のJuno探査機に観測データによる内部磁気圏のプラズマパラメータの推定、(2) 紫外線吸収スペクトルを測定する実験室実験による木星氷衛星大気の物理・化学状態を推定する手法の開発、(3)木星内部磁気圏のプラズマパラメータを入力として、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手法、及び、(4)木星電波のレイトレーシング手法により衛星電離大気の構造を推定する手法が確立した。これらの手法を既存の観測データに適用して、木星氷衛星の物理的・科学的特性の調査を進めるとともに、JUICE探査機や日本の次世代紫外線宇宙望遠鏡の科学検討を進める。

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、計画していた海外出張の一部が未実施となっているため、次年度使用額が生じている。海外への渡航制限の緩和を受け、海外渡航を通した研究活動を進める。

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] パリ天文台(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: パリ天文台
• [Int'l Joint Research] 王立工科大学/IRFU(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: 王立工科大学/IRFU
• [Journal Article] Alternate oscillations of Martian hydrogen and oxygen upper atmospheres during a major dust storm (2022)
  • Author(s): Masunaga Kei、Terada Naoki、Yoshida Nao、Nakamura Yuki、Kuroda Takeshi、Yoshioka Kazuo、Suzuki Yudai、Nakagawa Hiromu、Kimura Tomoki、Tsuchiya Fuminori、Murakami Go、Yamazaki Atsushi、Usui Tomohiro、Yoshikawa Ichiro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Pages: 6609
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34224-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Insight Into Io Enabled by Characterization of Its Neutral Oxygen Torus (2022)
  • Author(s): Smith H. T.、Koga R.、Tsuchiya F.、Dols V. J.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Pages: e2022JA030581
  • DOI: 10.1029/2022JA030581
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 外惑星環境を模擬したSO2とC2H4の凝縮実験及びin-situ中間赤外イメージング分光測定 (2023)
  • Author(s): 古賀亮一, 根岸昌平, 李源, 趙彪, 伊藤文之, 今井正尭, 笠羽康正, 平原靖大
  • Organizer: 惑星圏シンポジウム2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical radar simulation for the explorations of the ionosphere at Jupiter’s icy moons (2022)
  • Author(s): Yasuda, R., T. Kimura, H. Misawa, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, Y. Kasaba
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tsuchiya, F., G. Murakami, A. Yamazaki, T. Kimura, M. Kagitani, R. Koga, J. Kimura, N. Narita, S. Kameda, M. Ikoma, M Ouchi, M. Tanaka, K. Masunaga, S. Sakai, C. Tao, M. Kuwabara, S. Toriumi (2022)
  • Author(s): LAPYUTA (Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly) mission
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Satoh, S., F. Tsuchiya, S. Sakai, R. Yasuda, Y. Kasaba (2022)
  • Author(s): A Test Particle Simulation of Jovian Magnetospheric Electrons Precipitating into Europa’s Oxygen Atmosphere
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Murakami, G., F. Tsuchiya, M. Kagitani, A. Yamazaki, K. Yoshioka, M. Kuwabara, K. Enya, S. Matsuda (2022)
  • Author(s): Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA) mission: instrument overview and technical developments
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Smith, H. T., R. Koga, F. Tsuchiya (2022)
  • Author(s): Defining Io’s neutral oxygen torus and magnetospheric source with Hisaki observations and 3-D modeling
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Koga, R., F. Tsuchiya, M. Kagitani, T. Sakanoi, M. Yoneda, K. Yoshioka, I. Yoshikawa, T, Kimura, G. Murakami, A. Yamazaki, H. T. Smith, F. Bagenal (2022)
  • Author(s): Hisaki observation of the oxygen neutral cloud around Io’s orbit before and during the enhancement event of Io plasma torus
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Furukawa, K., F. Tsuchiya, M. Kagitani, K. Yoshioka, I. Yoshikawa, T. Kimura, H. Kita, G. Murakami, A. Yamazaki, H. Misawa, Y. Kasaba (2022)
  • Author(s): Localized hot electron inflow on the dusk side during transient brightening in Io plasma torus observed by Hisaki/EXCEED
  • Organizer: Magnetospheres of Outer Planets 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI) aboard JUICE: Sciences and their feasibilities for Jupiter and Icy Moons (2022)
  • Author(s): Kasaba, Y., F. Tsuchiya, H. Misawa, A. Kumamoto, T. Kimura, H. Kita, Y. Katoh, R. Yasuda, M. Kitahara, Y. Miyoshi, Y. Kasahara, S. Matsuda, S. Yagitani, M. Ozaki, H. Kojima, S. Kurita, B. Cecconi, J.-E. Wahlund
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Localized hot electron inflow on the dusk side during transient brightening in Io plasma torus observed by Hisaki/EXCEED (2022)
  • Author(s): Furukawa, K., F. Tsuchiya, M. Kagitani, K. Yoshioka, I. Yoshikawa, T. Kimura, H. Kita, G. Murakami, A. Yamazaki, H. Misawa, Y. Kasaba
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scientific feasibility study for planetary auroral observations in the LAPYUTA mission (2022)
  • Author(s): Kimura, T., C. Tao, G. Murakami, K. Yoshioka, F. Tsuchiya, A. Yamazaki, M. Kagitani, R. Koga, K. Masunaga, S. Sakai
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Europa's tenuous atmospheric sputtering and surface composition uncovered by plasma irradiation to NaCl samples (2022)
  • Author(s): Hoshino, R., T. Kimura, M. Otsuki, T. Kitano, Y. Nakauchi, F. Tsuchiya
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elemental sources for Europa's surface materials unveiled by oxygen ion irradiation to sulfates (2022)
  • Author(s): Otsuki, M, T. Kimura, T. Kitano, R. Hoshino, Y. Nakauchi, F. Tsuchiya
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Feasibility studies on Mars and Venus science for LAPYUTA (2022)
  • Author(s): Masunaga, K., S. Sakai, G. Murakami, F. Tsuchiya, A. Yamazaki, K. Yoshioka, T. Kimura, M. Kagitani, R. Koga
  • Organizer: JPGU2022
• [Presentation] Feasibility study of UV observation of water vapor plumes on icy moons for LAPYUTA mission considering influence of Geococona (2022)
  • Author(s): Koga, R., F. Tsuchiya, G. Murakami, M. Kuwabara, S. Sakai, T. Kimura, K. Yoshioka, J. Kimura, S. Takagi, A. Yamazaki, S. Kameda
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical radar simulation for the explorations of the ionosphere at Jupiter's icy moons (2022)
  • Author(s): Yasuda, R. T. Kimura, H. Misawa, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, Y. Kasaba
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LAPYUTA(Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly) mission (2022)
  • Author(s): Tsuchiya, F., G. Murakami, A. Yamazaki, T. Kimura, M. Kagitani, R. Koga, J. Kimura, N. Narita, S. Kameda, M. Ikoma, M Ouchi, M. Tanaka, K. Masunaga, S. Sakai, C. Tao, M. Kuwabara, S. Toriumi
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Test Particle Simulation of Jovian Magnetospheric Electrons Precipitating to Europa’s Oxygen Atmosphere (2022)
  • Author(s): Satoh, S., F. Tsuchiya, S. Sakai, Y. Kasaba
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Life-environmentology, Astronomy, and PlanetarY Ultraviolet Telescope Assembly (LAPYUTA) mission: instrument overview and technical developments (2022)
  • Author(s): Murakami, G., F. Tsuchiya, M. Kagitani, A. Yamazaki, K. Yoshioka, M. Kuwabara, K. Enya, S. Matsuda
  • Organizer: JPGU2022
  • Int'l Joint Research