水星における磁気圏ー外気圏ー表層カップリングの研究

• 研究課題/領域番号: 22KJ3187
• 補助金の研究課題番号: 22J01606 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 相澤 紗絵 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, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2023年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2024年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 惑星磁気圏 / プラズマ / 数値計算 / BepiColombo / 太陽風ー惑星相互作用 / 水星磁気圏 / カップリングシステム

研究開始時の研究の概要

太陽に最も近い惑星である水星は、過去の探査によって弱いながらも地球と似た固有磁場を持ち、太陽からの高速プラズマ流(太陽風)との相互作用によって小さな磁気圏を形成すること、また地球のような厚い大気は存在せず外気圏とよばれる薄い中性大気が広がっていることがわかっている。本研究では水星の地球とは異なるカップリングシステム、すなわち、太陽風ー磁気圏ー外気圏ー水星表層間の相互作用を理解することが不可欠である。本研究ではこの相互作用に数値計算とBepiColomboからの最新の科学データを用いてアプローチを行う。

研究実績の概要

厚い大気を持たない水星では、太陽からのプラズマ流である太陽風が惑星磁気圏（プラズマ）のみならず外気圏（中性大気）や表層（固体）と直接相互作用する環境にある。本研究は数値計算と最新のBepiColomboスイングバイデータを用いて、どのように各層が影響を及ぼし合っているかを明らかにすることを目的とし、その第一段階として太陽風プラズマー惑星磁気圏とそれらの外気圏および表層へのプラズマの降り込みについて研究を行った。数値計算では主に地表への惑星起源イオンの降り込みについて研究を行った。結果は学会等で発表済みであり、鋭意論文執筆中である。いくつか新たな計算を開発中であるがまだ中途であり、今後も開発を続けていく予定である。データ解析の観点では、BepiColomboのスイングバイの粒子データのキャリブレーションおよびデータ解析を行った。研究開始前および期間中に３回の水星フライバイが行われたが、特に第一回目のフライバイ結果から、数eVから数keVの電子およびイオンの観測を詳細に解析することにより、特に水星の朝側磁気圏において数keVのエネルギーを持つ電子が特定の周期をもって惑星表層へ降り込んでいる様子が初めて直接観測され、これらが過去のMESSENGER衛星によって観測された蛍光X線の分布とよく一致することがわかった。これらは水星の磁気圏サイクルと関連して磁気圏尾部での物理過程（ダイポラリゼーションやリコネクション）によるものであると推測される。過去の研究では磁気圏尾部での物理過程と蛍光X線分布の関係が指摘されてきたがこれまでその直接的な観測的証拠が得られておらず、史上初である。成果はNature Communicationsに発表され、各種国際学会で発表され、またプレスリリースも行った。第２回および３回のフライバイの成果は論文投稿中および解析中であり、順次発表される。

研究成果

• [国際共同研究] LATMOS/IRAP(フランス)
• [国際共同研究] University of Pisa(イタリア)
• [国際共同研究] IRAP/LPP/LATMOS(フランス)
• [国際共同研究] University of Pisa(イタリア)
• [国際共同研究] University of Michigan/NASA(米国)
• [国際共同研究] University of Leicester(英国)
• [雑誌論文] BepiColombo observations of oxygen and carbon ions in the flank of Venus induced magnetosphere (2024)
  • 著者名/発表者名: Hadid L., Delcourt D., Saito Y., Fraenz M., Yokota S, Fiethe B., Verdeil C., Katra B., Leblanc F., Fischer H., Persson M., Aizawa S, Andre N., Harada Y., Fedorov A., Fontaine D., Krupp N., Michalik H., Illiano J.-M., Berthelier J.-J., Krugger H., Murakami G., Matsuda S., Heyner D., Auster U., Richter I., Mieth J.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] TARB書評:上出洋介『オーロラ 宇宙の渚をさぐる』 (2023)
  • 著者名/発表者名: Aizawa Sae
  • 雑誌名: Tokyo Academic Review of Books 巻: 52 ページ: 1
  • DOI: 10.52509/tarb0052
  • ISSN: 2435-5712
  • 年月日: 2023-01-14
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of Solar Wind Variations on the Shapes of Venus’ Plasma Boundaries Based on Venus Express Observations (2023)
  • 著者名/発表者名: Signoles C.、Persson M.、Futaana Y.、Aizawa S.、Andre N.、Bergman S.、Fedorov A.、Lindwall V.、Martinez N.、Mazelle C.、Rojas Mata S.、Wolff A.、Zhang T. L.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 954 号: 1 ページ: 95-95
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ace7b1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct evidence of substorm-related impulsive injections of electrons at Mercury (2023)
  • 著者名/発表者名: Aizawa S.,Harada Y., Andre N., Saito Y., Barabash S., Delcourt D., Sauvaud J.-A., Barthe A., Fedorov A., Penou E., Yokota S., Miyake W., Persson M., Nenon Q., Rojo M., Futaana Y., Asamura K., Shimoyama M., Hadid L. Z., Fontaine D., Katra B., Fraenz M., Krupp N., Matsuda S., Murakami G.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39565-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Maps of Solar Wind Plasma Precipitation onto Mercury’s Surface: A Geographical Perspective (2023)
  • 著者名/発表者名: Lavorenti Federico、Jensen Elizabeth A.、Aizawa Sae、Califano Francesco、D’Amore Mario、Domingue Deborah、Henri Pierre、Lindsay Simon、Raines Jim M.、Savin Daniel Wolf
  • 雑誌名: The Planetary Science Journal 巻: 4 号: 9 ページ: 163-163
  • DOI: 10.3847/psj/acef15
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Forecasting Heliospheric CME Solar-Wind Parameters Using the UCSD Time-Dependent Tomography and ISEE Interplanetary Scintillation Data: The 10 March 2022 CME (2023)
  • 著者名/発表者名: Jackson Bernard V.、Tokumaru Munetoshi、Iwai Kazumasa、Bracamontes Matthew T.、Buffington Andrew、Fujiki Ken’ichi、Murakami Go、Heyner Daniel、Sanchez-Cano Beatriz、Rojo Mathias、Aizawa Sae、Andre Nicolas、Barthe Alain、Penou Emmanuel、Fedorov Andrei、Sauvaud Jean-Andre、Yokota Shoichiro、Saito Yoshifumi
  • 雑誌名: Solar Physics 巻: 298 号: 5 ページ: 74-74
  • DOI: 10.1007/s11207-023-02169-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the origins of backscattered solar wind energetic neutral hydrogen from the Moon and Mercury (2023)
  • 著者名/発表者名: Leblanc F.、Deborde R.、Tramontina D.、Bringa E.、Chaufray J.Y.、Aizawa S.、Modolo R.、Morrissey L.、Woodson A.、Verkercke S.、Dukes C.
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 229 ページ: 105660-105660
  • DOI: 10.1016/j.pss.2023.105660
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Solar-wind electron precipitation on weakly magnetized bodies: The planet Mercury (2023)
  • 著者名/発表者名: Lavorenti Federico、Henri Pierre、Califano Francesco、Deca Jan、Lindsay Simon、Aizawa Sae、Benkhoff Johannes
  • 雑誌名: Astronomy and Astrophysics 巻: 674 ページ: A153-A153
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202245711
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron moments derived from the Mercury Electron Analyzer during the cruise phase of BepiColombo (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Rojo, M. Persson, J.-A. Sauvaud, S. Aizawa, G. Nicolaou, E. Penou, A. Barthe, N. Andre, C. Mazelle, A. Fedorov, S. Yokota, Y. Saito, D. Heyner, I. Richter, U. Auster, D. Schmid, D. Fischer, T. Horbury, C.J. Owen, M. Maksimovic, Y. Khotyaintsev, P. Louarn, G. Murakami
  • 雑誌名: Astronomy and Astrophysics 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LatHyS global hybrid simulation of the BepiColombo second Venus flyby (2022)
  • 著者名/発表者名: Aizawa S.、Persson M.、Menez T.、Andre N.、Modolo R.、Genot V.、Sanchez-Cano B.、Volwerk M.、Chaufray J.-Y.、Baskevitch C.、Heyner D.、Saito Y.、Harada Y.、Leblanc F.、Barthe A.、Penou E.、Fedorov A.、Sauvaud J.-A.、Yokota S.、Auster U.、Richter I.、Mieth J.、Horbury T.S.、Louarn P.、Owen C.J.、Murakami G.
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 218 ページ: 105499-105499
  • DOI: 10.1016/j.pss.2022.105499
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] BepiColombo mission confirms stagnation region of Venus and reveals its large extend (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Persson, et al. (incl. K. Masunaga)
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 7743-7743
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35061-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] BepiColombo Mio Observations of Low-Energy Ions During the First Mercury Flyby: Initial Results (2022)
  • 著者名/発表者名: Harada, Y., S. Aizawa, Y. Saito, N. Andre, M. Persson, D. Delcourt, L. Z. Hadid, M. Fraenz, S. Yokota, A. Fedorov, W. Miyake, E. Penou, A. Barthe, J. A. Sauvaud, B. Katra, S. Matsuda, G. Murakami
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 49 号: 17
  • DOI: 10.1029/2022gl100279
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dayside magnetopause reconnection and flux transfer events under radial interplanetary magnetic field (IMF): BepiColombo Earth-flyby observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Sun Weijie、Slavin James A.、Nakamura Rumi、Heyner Daniel、Trattner Karlheinz J.、Mieth Johannes Z. D.、Zhao Jiutong、Zong Qiu-Gang、Aizawa Sae、Andre Nicolas、Saito Yoshifumi
  • 雑誌名: Annales Geophysicae 巻: 40 号: 2 ページ: 217-229
  • DOI: 10.5194/angeo-40-217-2022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron dynamics in small magnetospheres (2022)
  • 著者名/発表者名: Lavorenti Federico、Henri Pierre、Califano Francesco、Deca Jan、Aizawa Sae、Andre Nicolas、Benkhoff Johannes
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 664 ページ: A133-A133
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202243911
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Solar-wind-dependent streamline model for Mercury’s magnetosheath (2022)
  • 著者名/発表者名: Schmid D.、Narita Y.、Plaschke F.、Volwerk M.、Nakamura R.、Baumjohann W.、Heyner D.、Pump K.、Aizawa S.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 668 ページ: A113-A113
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202245008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Electron populations observed by Mercury Electron Analyzer onboard Mio/BepiColombo during its second Mercury flyby (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Aizawa
  • 学会等名: European Geoscience Union General Assembly 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Low-energy plasma observed by Mercury Plasma Particle Experiment onboard Mio/BepiColombo during its Mercury flybys (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Aizawa
  • 学会等名: Asia Oceania Geoscience Society 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electron populations observed by Mercury Electron Analyzer onboard Mio/BepiColombo during Mercury flybys (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Aizawa
  • 学会等名: Americal Geoscience Union fall meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Acceleration observed by Mercury Electron Analyzer onboard Moi/BepiColombo during its second Mercury flyby (2022)
  • 著者名/発表者名: Sae Aizawa
  • 学会等名: AGU (American Geophysical Union) fall meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Escape and Precipitation of planetary ions at Mercury under different solar wind conditions (2022)
  • 著者名/発表者名: Sae Aizawa
  • 学会等名: EPSC (European Planetary Science Congress)
  • 国際学会
• [学会発表] Circulation and Escape of Planetary Ions at Mercury (2022)
  • 著者名/発表者名: Sae Aizawa
  • 学会等名: AOGS (Asia Oceania Geoscience Society)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] LatHyS hybrid simulation of the August, 10 2021 BepiColombo Venus flyby (2022)
  • 著者名/発表者名: Sae Aizawa
  • 学会等名: European Geoscience Union (EGU) General Assembly 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The first simultaneous observation of low energy ions and electrons at Mercury during the first BepiColombo flyby (2022)
  • 著者名/発表者名: Sae Aizawa
  • 学会等名: JpGU (Japan Geoscience Union) Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Low-energy plasma observed by MEA and MIA onboard Mio/BepiColombo during its second Mercury flyby (2022)
  • 著者名/発表者名: Sae Aizawa
  • 学会等名: SGEPSS (Society of Geomagnetism and Earth, Planetary and Space Sciences) meeting
• [備考] First BepiColombo Flyby of Mercury ...
  • URL: https://www.europlanet-society.org/first-bepicolombo-flyby-of-mercury-finds-electron-rain-triggers-x-ray-auroras/
• [備考] 水星へと降り込む電子を直接観測！「みお」水星スイングバイが明かす水星磁気圏
  • URL: https://www.isas.jaxa.jp/topics/003445.html
• [備考] 太陽風は金星大気に入り込めない！「みお」金星スイングバイが明らかにした太陽風 ― 金星圏境界構造 ―
  • URL: https://www.isas.jaxa.jp/topics/003293.html
• [備考] Europlanet Society news
  • URL: https://www.europlanet-society.org/bepicolombo-and-solar-orbiter-compare-notes-at-venus/