オーロラの発光原因がついに判明

北半球または南半球の高緯度で、晴れた夜にオーロラと呼ばれる魅惑的な自然の光のショーを目にすることができるかもしれない。科学者たちは、この踊る光のカーテンが太陽嵐によるものであることは以前から知っていたが、その根底にあるメカニズム、つまりスリルを求める電子についてはこれまで確認されていなかった。

これは安く得られた発見ではありません。ネイチャー誌に掲載されたこの最新の証拠は、20年以上の研究の成果です。

オーロラは、太陽嵐、つまり太陽からの放射線と荷電粒子の爆発が、上層大気の地球の磁場に衝突したときに現れます。しかし、その後何が起こるのでしょうか?

科学者たちは「アルヴェン波」という理論を立てました。磁場を線の網として想像してください。その線を引き伸ばしたり引っ張ったりすると、線が元の位置に戻ろうとするときにアルヴェン波が発生します。これは、弦を伝って波が伝わるのと同じ磁気現象です。

太陽嵐が地球を襲うと、地球の磁場の線が歪んでしまいます。科学者たちは、その結果生じるアルヴェン波が電子を加速させると考えています。壊れたスキー板で山を滑り降りるスキーヤーのように、これらの電子は大気中の酸素と窒素の原子に衝突します。励起された原子は、新たに得たエネルギーを、オーロラとして知られるまばゆい光として放出します。

アイオワ大学の物理学者クレイグ・クレツィングのような科学者たちは、1990年代にこの輪ゴムのような連続現象を予測していた。しかし、彼らがテストしていなかったのは、宇宙船で大気を観測するだけではテストが難しいということだ。そこで彼らは、自分たちでプラズマの飛沫を作ろうと決めた。

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実験室で宇宙空間を再現するのは不可能だ。「しかし、特定の条件や特定のメカニズムに焦点を絞ることはできる」と、フィラデルフィア郊外のブリンマー大学の実験プラズマ物理学者で、今回の研究には関わっていないデビッド・シャフナー氏は言う。

ここで、それは彼ら自身の厄介なアルヴェン波を作り出すことを意味した。「アルヴェン波を作る方法は、磁化されたプラズマに乱れを起こすことです」と、シカゴ郊外のウィートン大学の物理学者で論文の筆頭著者であるジェームズ・シュローダー氏は言う。「磁化されたプラズマとは、磁場とイオンや電子などの熱い荷電粒子のスープとの組み合わせです」。

幸いなことに、研究者たちは地上にあるもの、つまりカリフォルニア大学ロサンゼルス校の基礎プラズマ科学施設にある大型プラズマ装置に頼ることができました。

かなり単刀直入な名前のこの装置は、木の幹ほどの幅とボウリングのレーンほどの長さの管で、磁場コイルで覆われている。ガスを充填し、電子ビームを照射することで、科学者は磁化されたプラズマを素早く作り出すことができる。実際、科学者はこれを1秒に1回起こすことができる。

「この装置でアルヴェン波を発生させる経験は豊富です」とプラズマ施設の所長トロイ・カーター氏は言う。「それがこの装置が作られた目的です。」

しかし、この装置は超新星から核融合まで、あらゆる研究に使用されてきたが、1999年にクレツィング氏とその同僚がアルヴェン波のアイデアを持って初めてロサンゼルスを訪れた時には、オーロラはそのリストに含まれていなかった。

「当初、彼は3年くらいかかると考えていました」とアイオワ大学の理論プラズマ物理学者グレゴリー・ハウズ氏は言う。

結局、20年以上かかり、6人の大学院生の協力が必要になりました。

技術的な課題は困難を極めた。まず、どんなアルヴェン波でも使えるわけではない。研究者たちは、電子を加速するのに十分な振幅のアルヴェン波を発射できるアンテナを作らなければならなかった。

次に、研究者たちは特定の電子を観察する方法を見つける必要がありました。「プラズマ内の電子のうち、実際にこの波と相互作用するのは 1,000 分の 1 程度です」とハウズ氏は言います。「このプラズマ内で加速されている電子は、一般的な電子よりもはるかに速く動いています。そのため、その測定は極めて困難です。」

彼らは磁場にさらに多くの波を発射することでこれを実現しました。しかし、これらの波は「ホイッスラー波」と呼ばれ、電子に対して非常に敏感です。科学者はこれを使って高速で移動する電子を追跡することができます。これは核融合研究者が一般的に使用する方法ですが、何年も改良を重ねた結果、オーロラの専門家たちはこれをアルヴェン波に利用できるようになりました。

ハウズ氏と大学院生は、データを分析するために、宇宙船の計算で使われる技術に頼った。電気と磁気の測定と電子の測定を組み合わせて、明確な「シグネチャ」を生成したのだ。これにより、電子が実際にアルヴェーン波に乗っているかどうかがわかる。

「実験室での測定にこれを使用したのは今回が初めてです」とハウズ氏は言う。「『目標としていた測定が実際にできた』と言えるのは、まさにパズルの最後のピースのようなものでした。」

これらすべてが完了すると、科学者たちはついにオーロラ理論をテストすることができ、アルヴェン波を電子に何度も何度も発射することができました。

「私たちは実験を65,000回行いました」とシュローダー氏は言う。「それは本当にすごいことのように聞こえますが、この装置はこの高い繰り返しのために設計されています。つまり、実験は1秒に1回実行されます」。合計で65,000秒、つまり約18時間です。

科学者たちは結果を見て、すでに高速で動いている電子が実際にはサーフィンのように加速されていることに気づきました。「波の速度にかなり近い速度で漕がなければなりません」とハウズ氏は言います。「そうすると波があなたを持ち上げ始め、あなたは波の前面を滑り降り始め、波に沿って進むにつれてエネルギーを得ます。」

そして重要なのは、電子がクレツィング氏と同僚が予測した通りの挙動を示したことだ。アルヴェーン波によって加速された電子は、極地の空を航行していたらオーロラを発生させるほどのエネルギーにまで急上昇した。

「これはまさに、さまざまな要素をひとつにまとめるという点で、私たちの多くが目指す種類の仕事です」とシャフナー氏は言う。

これは大きな成果だが、オーロラは科学として確立されたものではない。さまざまな疑問が残っている。アイオワ大学の研究チームは、写真でよく見られるような強烈なオーロラ、つまり個別のオーロラだけを研究した。「この研究は、他の種類のオーロラ、つまりそれらの形成方法については答えを出していない」とシュローダー氏は言う。

太陽から何が出てくるのかをより詳しく解明するため、プラズマ科学者たちは、2024年に太陽の周りを周回する予定のパーカー太陽探査機の追跡に熱心に取り組んでいます。

「太陽に近いところで見られるような状況は、何が起きているのかをさらに詳しく調べることができるかもしれない実験室実験を特定するための豊かな土壌となる」とシャフナー氏は言う。