物理学コースの宗像一起特任教授を含む研究グループが、太陽活動に伴う宇宙線変動の起源に迫る研究成果を発表しました。
2023年5月26日
物理学コースの宗像一起特任教授が参加する国際共同研究の研究グループが、「粒子ドリフト」と呼ばれる物理過程が、「押し戻し」に大きな役割を果たしていることを明らかにしました（※注１）。
この国際共同研究は、国際宇宙ステーションに搭載された宇宙線電子望遠鏡（CALET: CALorimetric Electron Telescope）による宇宙線観測を推進するもので、今回の研究成果は早稲田大学、茨城工業高等専門学校、信州大学が共同で発表したものです（詳細については下記詳細ページを参照）。
宇宙線は宇宙を飛び交う放射線（主として正の電荷を持った陽子）で、特にエネルギーの高いものは我々の銀河系で生まれて地球に飛来しています。地球で観測される宇宙線量は太陽黒点数が増えて太陽活動が活発になると減少し、太陽活動が衰退すると増加します。太陽からは太陽風と呼ばれるプラズマの風が常時外向きに噴き出しており、この風によって太陽の磁場が宇宙空間に引き出されています。電荷を持つ宇宙線は磁場に巻き付いて運動するので、宇宙線は太陽風によって外向きに押し戻されます。しかしながら、この「押し戻し」を引き起こす物理過程は、良く理解されていませんでした。
そこで研究グループは、粒子ドリフトの向きが粒子の電荷の正負でも逆向きになることに着目し、CLAETで負の電荷を持つ電子と正の電荷を持つ陽子の量を同時に観測しました（宇宙線中には陽子の数％の電子が存在します）。これにより、活動周期ごとに異なる太陽活動の変化に影響されずにドリフト効果を検証することができます。下記の図１の下の図の青丸と赤丸が、それぞれ観測された電子と陽子の量の時間変化を表しています。観測期間は約6年間です。この図から、2020年の太陽活動最小期に、電子量は尖ったピークを示しているのに対して、陽子量はなだらかなピークを示していることが判ります。我々は、この観測データを粒子ドリフト効果を考慮した宇宙線輸送過程のモデルで再現することを試みました。図の青線と赤線がモデルによる再現結果です。観測された電子と陽子の量の変動が、同時に再現されていることが判ります。この結果は、ドリフト効果が太陽活動周期ごとの宇宙線量の変動に大きな役割を果たしている証拠であり、CALETによる観測から得られた世界でも初めての成果です。最近の研究から、太陽活動に伴う宇宙線量の変化が、地球環境にも様々な影響を及ぼしていることが判ってきました。今回の成果は、この分野の今後の研究にも道を拓くものとして注目されます。
この研究成果は、5月25日付けPhysical Review Lettersに掲載されています。
※注１ 粒子ドリフト：
電荷を持った粒子は磁力線に巻き付いて旋回運動しますが、磁場の強さが場所ごとに異なっていたり、磁力線がカーブしていたりすると、旋回運動の中心が磁力線に垂直な方向に徐々にズレて（ドリフトして）いきます。宇宙線も太陽近くの地球までドリフト運動しながら飛来しますが、ドリフト運動する時間や距離が長くなると膨張する太陽風の中で徐々にエネルギーを失い、その量が減少します。太陽活動が活発になると、太陽から太陽風によって引き出される磁場が強まり、その結果ドリフト時間や距離が長くなって宇宙線量が減少すると考えられています。粒子ドリフトの向きは、粒子の電荷の正負や磁場の向きに応じて反転します。
この国際共同研究は、国際宇宙ステーションに搭載された宇宙線電子望遠鏡（CALET: CALorimetric Electron Telescope）による宇宙線観測を推進するもので、今回の研究成果は早稲田大学、茨城工業高等専門学校、信州大学が共同で発表したものです（詳細については下記詳細ページを参照）。
宇宙線は宇宙を飛び交う放射線（主として正の電荷を持った陽子）で、特にエネルギーの高いものは我々の銀河系で生まれて地球に飛来しています。地球で観測される宇宙線量は太陽黒点数が増えて太陽活動が活発になると減少し、太陽活動が衰退すると増加します。太陽からは太陽風と呼ばれるプラズマの風が常時外向きに噴き出しており、この風によって太陽の磁場が宇宙空間に引き出されています。電荷を持つ宇宙線は磁場に巻き付いて運動するので、宇宙線は太陽風によって外向きに押し戻されます。しかしながら、この「押し戻し」を引き起こす物理過程は、良く理解されていませんでした。
そこで研究グループは、粒子ドリフトの向きが粒子の電荷の正負でも逆向きになることに着目し、CLAETで負の電荷を持つ電子と正の電荷を持つ陽子の量を同時に観測しました（宇宙線中には陽子の数％の電子が存在します）。これにより、活動周期ごとに異なる太陽活動の変化に影響されずにドリフト効果を検証することができます。下記の図１の下の図の青丸と赤丸が、それぞれ観測された電子と陽子の量の時間変化を表しています。観測期間は約6年間です。この図から、2020年の太陽活動最小期に、電子量は尖ったピークを示しているのに対して、陽子量はなだらかなピークを示していることが判ります。我々は、この観測データを粒子ドリフト効果を考慮した宇宙線輸送過程のモデルで再現することを試みました。図の青線と赤線がモデルによる再現結果です。観測された電子と陽子の量の変動が、同時に再現されていることが判ります。この結果は、ドリフト効果が太陽活動周期ごとの宇宙線量の変動に大きな役割を果たしている証拠であり、CALETによる観測から得られた世界でも初めての成果です。最近の研究から、太陽活動に伴う宇宙線量の変化が、地球環境にも様々な影響を及ぼしていることが判ってきました。今回の成果は、この分野の今後の研究にも道を拓くものとして注目されます。
この研究成果は、5月25日付けPhysical Review Lettersに掲載されています。
※注１ 粒子ドリフト：
電荷を持った粒子は磁力線に巻き付いて旋回運動しますが、磁場の強さが場所ごとに異なっていたり、磁力線がカーブしていたりすると、旋回運動の中心が磁力線に垂直な方向に徐々にズレて（ドリフトして）いきます。宇宙線も太陽近くの地球までドリフト運動しながら飛来しますが、ドリフト運動する時間や距離が長くなると膨張する太陽風の中で徐々にエネルギーを失い、その量が減少します。太陽活動が活発になると、太陽から太陽風によって引き出される磁場が強まり、その結果ドリフト時間や距離が長くなって宇宙線量が減少すると考えられています。粒子ドリフトの向きは、粒子の電荷の正負や磁場の向きに応じて反転します。
図１．CALETで観測された宇宙線電子量（青丸）と陽子量（赤丸）の変化（下図(b)）。横軸は西暦年で、青線と赤線は粒子ドリフト効果を考慮したモデルによる電子量と陽子量の計算結果。赤と青の網掛け領域は、計算結果の不定性の範囲を示している。上図(a)は同期間の太陽黒点数（黒線）と太陽磁場の磁気中性面の傾き角（青点）を示したもの。Physical Review Lettersに掲載された図を一部編集して転載。
＜発表論文＞
掲載誌：Physical Review Letters
タイトル：Charge-Sign Dependent Cosmic-Ray Modulation Observed with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station
著者：
三宅晶子 (茨城工業高等専門学校)、宗像一起（信州大学）、赤池陽水（早稲田大学）ほか（CALET Collaboration）
DOI：10.1103/PhysRevLett.130.211001
URL：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.211001
論文公開日（現地時間）：2023年5月25日（木）
詳細ページ（早稲田大学）⇒https://www.waseda.jp/top/news/90562
論文ページ（THE PHYSICAL REVIEW LETTERS）⇒https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.211001
＜その他関連するリンク＞
茨城工業高等専門学校 ⇒https://www.ibaraki-ct.ac.jp/
JAXA宇宙科学研究所 ⇒https://www.isas.jaxa.jp/
掲載誌：Physical Review Letters
タイトル：Charge-Sign Dependent Cosmic-Ray Modulation Observed with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station
著者：
三宅晶子 (茨城工業高等専門学校)、宗像一起（信州大学）、赤池陽水（早稲田大学）ほか（CALET Collaboration）
DOI：10.1103/PhysRevLett.130.211001
URL：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.211001
論文公開日（現地時間）：2023年5月25日（木）
詳細ページ（早稲田大学）⇒https://www.waseda.jp/top/news/90562
論文ページ（THE PHYSICAL REVIEW LETTERS）⇒https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.211001
＜その他関連するリンク＞
茨城工業高等専門学校 ⇒https://www.ibaraki-ct.ac.jp/
JAXA宇宙科学研究所 ⇒https://www.isas.jaxa.jp/