水星が持つ特異な磁場の謎を解明 惑星の起源・進化に迫る

水星は地球と同様に、中心核^[用語1]のダイナモ作用^[用語2]によって作られる大規模な磁場をもっています。

棒磁石の作る磁場を使って地球と水星の磁場を表現して、この2つを比較すると、図1のように地球磁場は地球中心に棒磁石がありますが、水星磁場の棒磁石は中心から大きく北にずれていることが分かります。これは2011年にNASAのメッセンジャー探査機^[用語3]によって報告された大発見でしたが、なぜ中心から大きく北にずれているか、その理由は未解明のままでした。

地球の磁場は地球中心に置いた棒磁石で良く表現できるが、水星では棒磁石を約500 km（水星半径の5分の1）北にずらさないと、観測結果を説明できません。

本研究はJSPS科研費補助金（JP15K05270、JP15H05834、JP18K03808）の助成を受けました。

本研究成果は英国の国際学術誌「Nature Communications」（日本時間2019年1月14日19時）の電子版に掲載されました。

研究背景

水星が地球と同様な惑星規模の固有磁場を持っているか否かは、1970年代から惑星科学における大きな謎でした。この謎はアメリカNASAのメッセンジャー探査機が2008年のフライバイ時に水星の固有磁場を観測したことによって、解決されました。大規模な固有磁場の発見は水星磁場が水星内部の中心核のダイナモ作用によって作られている証拠となり、水星の起源および進化を明らかにする上で重要な成果です。その後の周回軌道上でのさらなる観測の結果、水星磁場の双極子（棒磁石）が北に大きくずれていることが発見されました。かたや、地球磁場の双極子はほぼ地球の中心にあります。メッセンジャー探査機による重大な科学成果のうち、北に大きくずれた双極子の発見はトップ3に挙げられており、非常に重要な成果と認識されています。一方で、その原因は一切明らかになっておらず、惑星科学における新たな大きな謎となっていました。

研究内容

今回の研究では、水星中心核の熱化学的状態を模した最新の実験や理論計算の結果をもとに、新たな水星内部構造モデルを作成しました。新規作成した内部構造モデルを「ダイナモモデル」に組み入れ、水星中心核の対流とそれにともなうダイナモ作用を数値的にシミュレーションしたところ、特定のモデルについて、北にずれる双極子をはじめとする水星磁場の特徴を全て再現するシミュレーション結果が得られました。詳細な解析を行った結果、中心核の対流で作られた磁場がローレンツ力^[用語4]を通じて対流構造を調節することによって、北にずれた双極子を自発的に生成・維持していることが明らかになりました。本研究ではこれを自己調整（self-regulation）と命名しました。

今後の展開

地球磁場と水星磁場の相異を明らかにすることは、水星のみならず私達の住む地球を理解することにも繋がる重要な研究テーマです。昨年10月には日欧協同の水星探査計画「ベッピコロンボ」によって、我が国の水星磁気圏探査機「みお」（MMO：Mercury Magnetospheric Orbiter）が打ち上げられ、現在水星へ向かっています。本研究成果と、将来の「みお」の観測による詳細な磁場データによって、水星ダイナモのメカニズムが明らかになり、水星の起源・進化に関する理解が飛躍的に深まることが期待されます。

謝辞

本研究はJSPS科研費補助金（JP15K05270、JP15H05834、JP18K03808）の助成を受けたものです。

論文情報

掲載誌 :	Nature Communications
論文タイトル :	Mercury's anomalous magnetic field caused by a symmetry-breaking self-regulating dynamo.
著者 :	Futoshi Takahashi, Hisayoshi Shimizu, Hideo Tsunakawa
DOI :	10.1038/s41467-018-08213-7

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