宇宙惑星科学講座

概要

宇宙惑星科学グループでは、地球を取り巻く宇宙空間(電離圏、磁気圏から広く恒星間空間までを含む)や太陽系内外の惑星(固体惑星部分から惑星大気圏・磁気圏までを含む)の研究を行っています。隕石など宇宙起源の物質の精密分析を行う化学的、岩石学的手法から、惑星に探査機を飛ばして惑星を調べる手法、さらには電磁流体の理論解析や室内物理実験を通じて惑星の物理現象の解明を目指す手法まで様々な角度から研究しています。

おもに、宇宙惑星科学講座宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所との教員が協力して研究と教育を行っています。宇宙研では、さまざまなロケット観測、周地球探査、惑星探査に直接携わることも可能です。

宇宙惑星科学講座

 宇宙惑星科学講座ウェブサイト

地球をとりまく宇宙空間,太陽系内外の惑星, 宇宙プラズマなどを研究の対象としています.隕石をはじめとする宇宙起源の物質の精密分析,探査機での物理量直接観測,惑星の光学遠隔観測,さらには理論解析・コンピュータシミュレーションや室内物理実験まで,さまざまな角度から研究を行っています.特に,地球磁気圏・惑星探査や太陽大気観測ではJAXAと協力しながら観測データ解析や装置開発などの研究・教育を推し進めています.

宇宙・惑星プラズマの研究

宇宙は99%以上がプラズマで満たされていると言われていますが,我々の太陽系を「宇宙におけるプラズマ実験室」として捉えることで,宇宙プラズマの世界を一般性を持って深く理解することができます.例えば,太陽系における衝撃波の物理が,超新星爆発衝撃波で生成されている宇宙線の起源の解明に密接に係わっています.地球磁気圏における磁気リコネクション研究は,太陽コロナやパルサー磁気圏・活動銀河核ジェットなどでの磁気エネルギー解放の理解の基礎となっています.宇宙・惑星プラズマのグループでは,このような視点に立ち,理論シミュレーションやデータ解析の手法を用いて,人工衛星が「直接観測」できる地球・惑星でのプラズマ現象の理解を深化させると同時に,その知見を生かして宇宙での高エネルギー・プラズマ現象(超新星爆発衝撃波,パルサー磁気圏,ブラックホール降着円盤,活動銀河核ジェットなど)の解明にも挑んでいます.

超新星残骸SN1006のX線像
(あすか撮影:宇宙研提供)

地球・惑星磁気圏の研究

太陽大気が惑星間空間に流れ出した超音速の太陽風プラズマは,惑星磁場と相互作用して磁気圏を形成しています.これら惑星磁気圏では,太陽風の活動に伴い大規模でダイナミックなプラズマ現象が見られます.例えば地球や木星・土星で観測されているオーロラ現象や,惑星を取り巻く放射線帯などにおける高エネルギー粒子加速は,太陽風のエネルギーが磁気圏に輸送・蓄積され引き起こされます.これらのエネルギー流入やプラズマ輸送・加速機構を観測的・理論的に解明します.2016年度には放射線帯電子の加速機構などの解明を目指してERG衛星が打ち上げられる予定です.こうした磁気圏の研究は,ジオスペース(Geospace:地球周辺の宇宙空間)の環境を解明し,宇宙への社会基盤(人工衛星・宇宙ステーションなど)の発展にも寄与します.また、惑星分光観測衛星ひさきによる木星磁気圏の観測研究も行っています.

地球磁気圏とそのERG探査機の概念図

固体惑星の探査

惑星探査は水星と冥王星に到達し, 太陽系の多様性あふれる惑星の姿を明らかにしました. しかし, これらの惑星の起源や生命誕生の可能性については, 多くの未解明問題が残ったままです. これらの問題を解明するため, 着陸や試料回収により精密分析を行い, 惑星物質の起源と化学進化を解明するのが今後の惑星探査のあり方です. 日本は, 世界に先駆けて, 有機物や水を多く含むC型小惑星の近接観測および試料採取を目指して はやぶさ2探査機を打上げました. 本講座メンバーは, この探査機の測器開発や観測計画立案に中心的な役割を果たしています. また, かぐや月周回機や初代はやぶさ探査機から得られたデータの解析を室内実験や理論計算と合わせて分析しています. また, 将来の火星や氷衛星の探査機に搭載するため, 質量分析装置など精密分析装置の開発も精力的に行っています.

C型小惑星1999JU3を目指す はやぶさ2号機(提供:池下章裕)

太陽天体プラズマの磁気活動の研究

高温プラズマは,磁気拡散率が低いために「長時間の磁気エネルギー蓄積」と「爆発的な磁気エネルギー解放」とを繰り返します.爆発の結果,数千万度もの超高温プラズマや高エネルギー粒子が発生します.太陽コロナでみられるフレアはその典型的な例で(現在の)太陽系最大級の爆発現象です.この現象は,他の恒星や生まれたばかりの星でも起こることがわかっています.フレアをはじめとする高温プラズマの活動現象やそのエネルギー蓄積過程,磁場そのもののダイナモによる維持について,スーパーコンピュータによる数値シミュレーションや,衛星などの大規模観測装置のデータ解析によって,その物理機構の解明をめざして研究しています.

太陽X線画像(ようこう撮像:宇宙研提供)

惑星大気とハビタブル環境の関係の研究および惑星探査機搭載をめざした装置開発

地球型惑星である金星の表面気温は約460℃, 地球は20℃, 火星は-60℃と, 大きく異なる表層環境を持っています. 特に火星は, 40億年ほど前の温暖湿潤な環境から現在の寒冷乾燥した気候へと大きく変化したと考えられており, 宇宙空間への大気散逸の寄与が指摘されています. 惑星大気の特徴が何に起因するかは,それ自身が興味深い問題です.さらに系外惑星の表層環境を推定する鍵でもあります.我々は理論・データ解析の観点から国内外の惑星探査計画に参画するとともに,惑星探査機搭載をめざした装置開発を行うことで, 大気進化や宇宙環境変動とハビタブル環境成立条件の関係を理解しようとしています.

火星の気候変動と火星探査機MAVEN

隕石の同位体分析・微量元素分析に基づく初期太陽系の年代学・物質科学

隕石は,原始太陽系の「化石」ともいうべき物質で,その多くは火星と木星の間に位置する小惑星帯から飛来したと考えられています.分化隕石(鉄隕石やエコンドライト)は微惑星(小惑星)における火成活動などの天体進化についての情報を,未分化隕石(コンドライト)は微惑星形成以前の原始太陽系星雲内での出来事に関する情報を持っています.とくに,コンドライトを構成する個々の鉱物粒子は,太陽系内での形成場所も形成年代も異なっている可能性があります.また,コンドライト中には,非常に大きな同位体異常を持つ太陽系外起源粒子も見つかっています.二次イオン質量分析法を用いると,個々の鉱物粒子の生じた物理的・化学的環境や形成年代を調べることが可能です.二次イオン質量分析法によるミクロン領域に対する同位体分析・微量元素分析により,初期太陽系の年代学や物質進化に関する研究を進めています.

Axtell隕石の写真. 多数の球形粒子はコンドルール、
白い不定形の粒子はCAI(太陽系最古の固体物質).

宇宙鉱物学:惑星物質進化過程の解明

各種の隕石や探査機によって地球に持ち帰られた固体宇宙物質は,太陽系の様々な天体で起こった物質進化過程を記録しています.これらの試料を地球試料とも比較して考えることで,太陽系での惑星物質進化について一般的な法則性を見出すことが我々の大きな目標です.そのため,我々は,惑星物質進化過程で主要な段階を記録している試料(例えばNASAのスターダスト探査機によって得られた彗星塵,火星起源の隕石など)に注目して,惑星探査とも連携した研究を行っています.主要なアプローチは,これらの固体物質の多くが結晶であることに注目して,X線や電子線分析装置などを用いて微小領域での化学組成や結晶構造を調べ,過去に天体でどのような物理・化学現象が起きたかを推測し,天体進化を議論することです.これまでに地球上では未知の鉱物も発見しており,材料科学とつながった研究も展開しています.

火星隕石中カンラン石の高分解能電子顕微鏡写真

学生の声

参考書・文献

一般啓蒙書・読み物

  • 「惑星学が解いた宇宙の謎」井田 茂 洋泉社新書(2002) ¥740
  • 「火星の驚異―赤い惑星の謎にせまる」小森 長生 平凡社新書(2001) ¥740
  • 「月の科学―月探査の歴史とその将来」ポール・D. スピューディス(著), Paul D. Spudis(原著), 水谷 仁(翻訳)シュプリンガー・フェアラーク東京(2000) ¥3,000
  • 「Newton別冊 太陽系全カタログ」ニュートンプレス(2000) ¥2,857値段は高いがCD付きでこれはお薦めです。
  • 「惑星科学入門」松井 孝典 講談社学術文庫(1996) ¥960
  • 「失われた原始惑星」武田弘 中公新書1005(1991) ¥580

専門参考書

  • 「岩波講座 物理の世界 地球と宇宙の物理〈2〉太陽圏の物理 岩波講座 物理の世界」
    寺沢 敏夫  岩波書店(2002) ¥1,400
  • 「宇宙環境科学」
    恩藤忠典/丸橋克英 オーム社(2000) ¥5,500
  • 「地球環境計測」
    岡本 謙一 オーム社(1999) ¥5,500
  • 「活動する宇宙」
    柴田 一成, 松元 亮治, 福江 純, 嶺重 慎(編) 裳華房(1999) ¥4,300
    • 「岩波講座 地球惑星科学」1-14卷」
      特に、惑星科学関連の卷は、
    • 「1卷 地球惑星科学入門」
      松井孝典、田近英一、高橋栄一、柳川弘志、阿部豊(著)
      1996年 ¥3,600
    • 「2卷 地球システム科学」
      鳥海光弘、田近英一、吉田茂夫、住明正、和田英太郎、大河内直彦、松井孝典(著)
      1996年 ¥3,400
    • 「12卷 比較惑星学」
      松井孝典、永原祐子、藤原顕、渡邊誠一郎、井田茂、阿部豊、中村正人、小松吾郎、山本哲生(著)
      1997年 ¥5,000
    • また、特に磁気圏、太陽風などのプラズマの現象を理解するために必要な電磁流体力学、プラズマ物理学の参考書として
    • 「6巻 地球連続体力学」 第3章「電磁流体の力学」
      寺沢敏夫(この章を分担執筆)
    • 「7巻 数値地球科学」第2章 「磁気圏形成のシミュレーション」
    • をあげておく。
  • 「固体惑星物質科学の基礎的手法と応用」
    武田弘・北村雅夫・宮本正道 サイエンスハウス(1994) ¥2,300
  • 「惑星の科学」
    清水幹夫編 朝倉書店(1993) 第4章『隕石』(杉浦直治執筆)

以下はやや古いので、なかなか普通の書店では手に入りにくいと思いますが、大学などの図書館では蔵書していることが多いと思います。 また店頭で特別注文したり、アマゾンなどのオンライン書店などで調べれば、まだ買える場合が多いようです。いずれにせよ、古くても良い本なので非常に参考 になります。是非読んでみて下さい。

  • 「惑星II」
    岩崎恭輔 恒星社厚生閣(1987) ¥2,500
  • 「宇宙化学・地球化学に魅せられて」
    小沼直樹 サイエンスハウス社(1987)
  • 「地球生命圏」
    ラブロック 工作舎(1984) \2,400
    惑星大気に関する深い洞察に満ちた快著。ただし、仮説を鵜呑みにしてはいけない。
  • 「成層圏と中間圏の大気」
    松野・島崎 東大出版会(1981) \4,400
    地球大気限定だが、松野が力学を島崎が化学を分担したコンパクトな教科書。
  • 「プラズマ物理入門」
    内田袋二郎訳 Introduction to Plasma Physics, by Francis F. Chen
    丸善株式会社(1997) ¥4,200
  • 「宇宙化学―コンドライトから見た原始太陽系」
    小沼直樹 講談社(1972)、新装判 サイエンスハウス社(1987) ¥2,800
  • 「宇宙空間物理学物理学選書(5)」
    大林辰蔵 裳華房(1971)(2002年復刻) \6,500
    古いが、スペースサイエンス黎明期の息吹を感じさせる名著。
  • 「遊星人」
    日本惑星科学会
    定期的に惑星科学界の最新の記事・論文が掲載されている。

英文の専門参考書

(自ら購入しなくても多くの大学の図書館、図書室で借り出すことが出来ます)

  • Basic Space Plasma Physics.
    by W. Baumjohann and R. A. Treumann Imperial College Press(1996)
    66米ドル(ペーパーバック版は、半額 – 1/3程度で購入可)
  • Advanced Space Plasma Physics.
    by R. A. Treumann and W. Baumjohann Imperial College Press(1997)
    49英ポンド(1万円強)
  • Planetary Materials Reviews in Mineralogy Vol. 36
    J. J. Papike ed. Mineralogical Soc. of America(1998) 40米ドル
  • Compendium of Aeronomy
    Tohmatsu テラ学術出版 (1990) ¥12,000
    学生諸君には英語かつ高価で申し訳ないが、超高層大気物理の優れた教科書。
    日本語版は絶版。