最新論文から明らかになった、木星探査の「限界」と「期待」

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米航空宇宙局(NASA)の木星探査機「ジュノー」(Juno)は、木星への接近観測を続けている。最初の接近観測でオーロラや大気、磁場、重力場について発見したことをまとめた2本の論文が発表された。

TEXT BY EMMA GREY ELLIS
TRANSLATION BY HIROKI SAKAMOTO, HIROKO GOHARA/GALILEO

WIRED(US)

ジュノーが2017年2月2日に撮影した木星の南極上空(カラリングは青が強調されている)。Twitterアカウントで最新画像などが報告されている。

米航空宇宙局(NASA)の木星探査機「Juno」(ジュノー)は、すでに先行探査機や科学者たちの期待を上回る成果を上げている。同機は2016年7月、5年に及ぶ宇宙旅行を経て、嵐が吹き荒れる巨大ガス惑星である木星に到達した。太陽光発電式の宇宙船としては、これまでで最も地球から遠く離れた場所にたどり着いたことになる。

ジュノーの飛行経路は、過去のどのオービター(軌道船)よりも、木星の近くに接近している。そしてジュノーは、謎めいた木星の極域を通過し、その色が想像されていたより青く(冒頭のツイート)、木星の特徴である縞模様も欠けていることを発見した初の宇宙探査機でもある。

ジュノーの初めてづくしや、科学者たちをホワイトボードへと戻らせる役目は、まだ終わったわけではない。科学者たちは、ジュノーが2016年8月に行った、木星上空の雲をかすめる初の近接通過で集めたデータを調査してきた。そして、木星のオーロラや大気、磁場、重力場について彼らが発見したことをまとめた2本の論文が2017年5月26日付けで発表された

木星の大気は、予測よりも「はるかに複雑」

これらの研究によって、木星の大気がもつダイナミクス(動態)は、科学者たちが思っていたほど地球に近くないばかりか、それらははるかに複雑で、変化しやすいことが明らかにされた。これはつまり、科学者たちが特定の惑星について完全に理解しようとしても、1回の探査から得られるのは不完全で誤解を与える情報かもしれないということを意味している。

木星を研究する科学者たちにとって幸いなのは、ジュノーは木星全体をマップ化するように設計されており、30回以上も近接通過観測を行うため、この任務にうってつけのツールであるということだ(ジュノーは、木星の強い放射線帯から電子機器を守るため、大きな弧を描いて繰り返し周回し、木星に近づく時間を最小限に抑えている。木星に接近して通り過ぎながら、画像撮影を行う「フライバイ(近接通過観測)」を全部で36回実施する予定だったが、エンジンバルブが原因で難航。頻度を落として実施していると報道されている)。

探査機が木星の軌道を周回し、最終的に全体をマッピングする様子を表したNASAの動画。

まずは、オーロラが発生する上層大気から見ていこう。木星のオーロラを前にすれば、地球のオーロラ(北極光)も霞んでしまうことは以前からわかっていた。木星のオーロラは何百倍というエネルギーをもち、地球全体よりも広い面積を覆っているのだ。ジュノーは観測機器をいくつか使って、オーロラのエネルギー粒子とそれらのダイナミクスを統制する物理特性を調べている。最初の近接通過で集められたデータによれば、木星のオーロラは、地球のオーロラとはかなり異なった様相を示している。

ゴダード宇宙飛行センター(GSFC)の天体物理学者で、今回発表された論文2本のうち一方の筆頭著者であるジャック・コナーニーは「別の惑星で目にしたものを、地球を基準にして解釈したくなってしまうものです」と語る。「われわれが作成した木星オーロラのモデルでは、つい先日まで、電子の進行方向が間違っていました」。地球では、磁場にある電子が太陽風によって励起され、極域へと送られる。そして、そこでほかの原子や分子とぶつかって光を放つ。これに対して木星では、電子は極域を離れるときに励起していることがジュノーの観測からわかった。

惑星科学者たちは、木星の大気がもつダイナミクス全般も誤解していたようだ。ジュノーミッションで主任研究員を務め、もう一方の論文の筆頭著者であるスコット・ボルトンは「科学者たちは、大気中の主なエネルギー源は太陽だと思っていました」と語る。「したがって、太陽光の影響が低いところにある粒子群は単純な構造で、よく混ざり合っていると思われていたのです」。ところが、実際はそうではないことがわかった。木星大気中の粒子群は、その外観と同じように多様かつ縞状の構造なのだ。

ジュノーの研究チームにとってとりわけ興味深いのは、木星を特徴づける「赤道地帯にある巨大な縞模様」を構成するアンモニアの氷の粒が、ジュノーの観測機器が確認できる限りでは、上空だけでなくコアに向かって何百kmも下に伸びていることだ。現在の木星大気モデルでは、そうなるべき理由は何も見当たらない。

驚くべき活動量を示しているほかの場所はどこか? それは木星大気の深部で、これはジュノーがマップ化しようとしている磁場と重力場にあたる。

「もし木星が、回転する巨大なガスの球体にすぎないのであれば、その重力場に奇妙な高調波が発生しているはずはありません」とコナーニーは語る。しかし木星の重力は一様ではなく、それは深い対流を示唆している可能性がある。地球上で大気圧の差が気象の変動を引き起こすのと同じように、木星の奥深くで生じている密度の差が、重力の変動を引き起こしているのかもしれないのだ。木星の磁場に関するジュノーの測定値も、科学者たちの予測を大きく上回る地理的変化に富むものだった。

こうした地理的変化についてジュノーのチームが理解できるようになるまでには、まだまだ道のりは遠い。しかし、こうした変動はすべてが関係し合っており、重力場に現れる大きな対流は、磁場強度の不均一さも引き起こしている可能性があるという思い切った意見をコナーニーは口にしている。「振り返ってみると、木星大気はシンプルで退屈なものだとわれわれがなぜ思い込んでいたのか、わかりません」とボルトンは語る。

1機の探査機で、わかるはずがなかった

木星の大気に対して理解が深まると、科学者たちによる地球の特性の解明も進むだろう。ボルトンは木星の赤道付近にあるアンモニアを、地球の赤道の周囲にある熱帯にある大気の帯(バンド)と比較する。「地球に関するわれわれの考えでは、熱帯の大気バンドは、空気と海の相互作用によって形成されます」とボルトンは語る。「木星はそうではありません。だとしたら、なぜ同じように見えるのでしょう? われわれは大気について何か根本的なことを学びつつあるのかもしれません。もしかしたら、地球に関するわれわれの仮定は間違っているのかもしれません」

同様に、地球の磁場に関しても、木星の研究によって理解が深まるかもしれない。地球の磁場は、地殻の奥深くで形成され、鉄鉱床からのラダムな影響があるため、研究するのが難しい。木星には地殻がなく、センサーのデータを乱す余分な磁石もない。「われわれがダイナモ理論(天体が内部の流体運動によって大規模な磁場を生成・維持するという理論)が実際に稼働しているところを見るのは、今回が初めてになるでしょう」とコナーニーは語る。「われわれは木星から始めるべきだったのかもしれません」

こうした発見は、宇宙に関する従来の常識に挑戦する内容だが、従来の研究方法自体についても疑義を提示するものとなっている。通常は、まずプローブ(宇宙探査機)が惑星に送られ、プローブのデータが必要性を示唆する装置を搭載したオービターが追跡調査を行う。「この数十年で形成されてきた、木星などの巨大惑星のしくみに関するわれわれの考えは、単純化されすぎていたのかもしれません」とボルトンは語る。「1基のプローブで惑星全体の正確なサンプリングが行えると考えるのはやめる必要があるのかもしれません」

この問題に対するボルトンの答えが、惑星全体をマップ化するように計画された、多くの観測軌道をもつジュノースタイルのミッションだ。こうしたミッションをさらに展開することが今後も必要なのかもしれない。科学者たちがジュノーミッションの最初の接近観測からこれだけ多くのことを学んだのであれば、次の30回以上の観測がどんな結果をもたらしてくれるのか想像してみてほしい。

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