太陽活動に伴う陽子と電子の電荷（正負）の違いに対する依存性の様子を高精度に観測することに成功

ドリフト効果が宇宙線の太陽変調に大きな役割を果たしている証拠を世界で初めて確認

2023年5月26日
早稲田大学
茨城工業高等専門学校
信州大学

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【発表のポイント】
国際宇宙ステーション（ISS）・「きぼう」日本実験棟搭載の宇宙線電子望遠鏡（CALET）が、約６年間にわたり、低エネルギー銀河宇宙線の陽子・電子の同時観測を行いました。
太陽活動に伴う陽子と電子の強度の変動（宇宙線の太陽変調※1）には顕著な違いがあることが観測され、陽子と電子の電荷（正負）の違いに対する依存性の様子が明らかになりました。
観測結果を宇宙線の太陽変調の理論モデルで再現することに成功し、ドリフト効果※2が太陽活動に伴う宇宙線の太陽変調に大きな役割を果たしている証拠が世界で初めて得られました。
宇宙線の太陽変調を正確に理解することで過去・現在・未来の宇宙放射線環境を再現・予測できるようになり、安全な宇宙旅行の計画や地球環境と宇宙天気の関係解明への貢献が期待されます。
【画像：リンク】
図：地球に到来する宇宙線のイメージ図。ドリフト効果の結果、CALETが観測を行っている太陽双極子磁場が北向きの期間においては、陽子は太陽系の極領域を通過して地球に到来し、電子は太陽系の赤道領域に存在するカレントシートと呼ばれる領域に沿って地球に到来する。図中の画像はJAXA（リンク）およびNASA（リンク）より入手。

茨城工業高等専門学校准教授 三宅晶子（みやけしょうこ）、信州大学特任教授 宗像一起（むなかたかずおき）、早稲田大学理工学術院総合研究所主任研究員(研究院准教授) 赤池陽水（あかいけようすい） リンク、同大学名誉教授・CALET代表研究者 鳥居祥二（とりいしょうじ） リンク、と宇宙航空研究開発機構（JAXA）及び国立極地研究所、東京大学宇宙線研究所などの国内複数機関、イタリア、米国の国際共同研究グループ（以下、本研究グループ）は、国際宇宙ステーション（ISS）・「きぼう」日本実験棟の船外実験プラットフォームに搭載された宇宙線電子望遠鏡（CALET：高エネルギー電子・ガンマ線観測装置）※3を用いて、銀河宇宙線の陽子・電子の１ギガ電子ボルト（GeV）領域※4で、太陽活動に伴う宇宙線の太陽変調の荷電依存性を高精度に観測しました。

現在、世界各国で計画されている有人月探査や火星探査において、宇宙旅行中の宇宙線による被ばく量や精密機器の故障を最小限に抑えることが求められています。このたびのCALETによる観測結果は、太陽変調を精度よく予測できる太陽変調モデルの確立に貢献し、太陽活動のどのタイミングで地球を出発するかを決定するうえで重要な役割を果たすことが期待されます。また、精緻な太陽変調モデルの確立は、予測だけでなく過去の極端な宇宙環境下における宇宙線の太陽変調の再現をも可能とするため、現在活発に議論されている、地球環境の変化に宇宙線の太陽変調が介在している可能性についても新たな示唆を与えることが期待できます。

本研究成果は、アメリカ物理学会発行の『Physical Review Letters』に、“Charge-sign dependent cosmic-ray modulation observed with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station リンク”として、2023年5月25日（木）＜現地時間＞にオンラインで掲載されました。
URL： リンク
DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.211001 リンク

用語解説
※1　宇宙線の太陽変調
宇宙線の太陽変調とは、太陽系内で観測される宇宙線の強度が太陽活動に伴い変化する現象のことです。これは、太陽からのプラズマの風や磁場による宇宙線バリアの効果が太陽の活動レベルによって変化するために起こります。太陽の自転運動や太陽活動の周期変動のため、地球で観測される宇宙線の太陽変調は約27日や約11年、22年といった周期性を持つことが知られています。

※2　ドリフト効果
磁場の中を運動する荷電粒子は、ローレンツ力と呼ばれる力を受けて磁力線に巻きつきながららせん運動します。ドリフト効果とは、磁場の中をらせん運動する荷電粒子の旋回中心が磁場の強さや方向の変化の影響を受けて移動する現象のことです。ドリフトの方向は荷電粒子の電荷や磁場の向きによって反転する性質を持ち、太陽系周辺の宇宙線の経路は太陽双極子磁場の向き（A）と宇宙線の電荷（q）の組み合わせ（qA）の符号によって反転します。ドリフト効果の結果、CALETが観測を行っているA＞０の期間においては、陽子（q>0）は太陽系の極領域を通過して地球に到来し、電子（q<0）は太陽系の赤道領域に存在するカレントシートと呼ばれる領域に沿って地球に到来します（下図）。このカレントシートの構造は太陽の活動レベルに伴って大きく変化するため、CALETで観測された電子の量は大きく変化したのだと理解できます。

【画像】

 図：地球に到来する宇宙線陽子・電子の通過経路と、太陽系内のカレントシート。図中心の赤い球は太陽、そのすぐそばの青い球は地球を示す。CALETの観測期間において、宇宙線陽子は太陽系の極領域（赤矢印）を通過して地球に到来する。一方宇宙線電子は、太陽系の赤道面周辺に広がるカレントシート（オレンジ）に沿って（青矢印）地球に到来する。
※3　CALET
CALorimetric Electron Telescope(CALET）はカロリメータ方式の宇宙線電子望遠鏡で、日本の宇宙線観測としては初めての本格的な宇宙実験です。高エネルギー電子の高精度観測に最適化されたユニークな装置となっています。CALETの主となる検出装置は「カロリメータ」と言い、ここに飛び込んでくる宇宙線を捉えて観測します。カロリメータは、図5のように３つの層からできています。図5の第１の層（CHD）では粒子の電荷を測定し、原子番号を調べます。第２の層（IMC）では、粒子が飛んできた方向を測定します。そしてもっとも厚みのある第3の層（TASC）で、宇宙線が吸収されて生じる「シャワー」の発達の様子から、その宇宙線のエネルギーや種類を特定します。この3つの層から得られる情報を統合することで、その宇宙線について知るべきことがほとんどわかります。特に第３の層の厚さや使われている物質によって、どれだけ高いエネルギーの粒子まで観測することができるかが決まるのですが、CALETはとりわけここが従来の観測装置に比べて高い性能を持っています。

【画像：リンク】
※4　GeV領域
エネルギーの単位の一つとして用いられる電子ボルト(eV)は、電子が1ボルトの電位差を抵抗なしに通過した際に得るエネルギーとして定義されています。その１0億倍のエネルギーがギガ電子ボルト(GeV)です。なお、がん治療（陽子線治療）のために人工的に加速された陽子の最大エネルギーは、0.24GeVです。