ノーザンブリア大学を率いる国際天文学者チームが、初めて天王星の上層大気の3次元マップを作成した。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の高感度機器を使用し、研究チームはこの巨大氷惑星の電離層の複雑な構造を可視化することに成功し、そのユニークな磁場がどのように壮大な赤外線オーロラを引き起こしているかを明らかにした。2026年2月19日付のGeophysical Research Letters誌に掲載されたこの画期的な成果は、天王星の大気内におけるエネルギー移動のこれまでで最も詳細な全体像を提示し、30年以上にわたって科学者を悩ませてきた謎の冷却傾向を裏付けている。
博士課程の学生パオラ・ティランティが主導したこの研究では、ウェッブ望遠鏡の近赤外線分光器（NIRSpec）を利用して、天王星のほぼ全15時間の自転周期にわたって観測を行った。H3+分子からのかすかな赤外線の輝きを検出することで、研究チームは雲頂から5,000キロメートル上空までの大気をマッピングした。本研究は、従来の2次元的なスナップショットから大きく飛躍したものであり、科学者が大気中を垂直方向にエネルギーがどのように移動するかを追跡することを可能にした。この知見は惑星科学におけるマイルストーンであり、太陽系内および遠くの恒星を回る巨大氷惑星のエネルギー収支を理解するための新たな枠組みを提供するものである。
天王星の磁場はなぜ特異なのか、そしてそれがオーロラにどのように影響するのか？
天王星の磁場が特異なのは、自転軸から約60度傾いており、惑星の中心から大きくオフセットされているためである。この不整合により、惑星の自転に伴って磁気圏が混沌と転がり、荷電粒子が大気中に導かれることで、地理的な極とは一致しない、複雑で変化し続ける赤外線オーロラが形成される。
磁場が自転軸と比較的揃っている地球とは異なり、天王星は98度の自転軸傾斜角を持ち、実質的に横倒しで自転している。筆頭著者のパオラ・ティランティは、ウェッブ望遠鏡の感度によって、その「偏った磁場の影響」を初めて3次元で見ることができたと述べている。観測では、磁極付近に2つの明確で明るいオーロラ帯が検出された。これらの帯の間で、研究チームは放射とイオン密度の特有の減少を確認したが、これは上層大気を通じて粒子を導く磁力線の特定の幾何学的構造によって引き起こされた特徴である可能性が高い。
天王星の上層大気はこの30年間、どのように冷却されてきたのか？
天王星の上層大気は1990年代初頭から一貫した冷却傾向にあり、現在の測定では平均温度は約426ケルビン（摂氏150度）を記録している。この長期的な低下は惑星の季節変化にかかわらず持続しており、内部の大気循環や複雑な電離層の化学反応が、この巨大氷惑星の熱状態の調節において支配的な役割を果たしていることを示唆している。
研究チームの測定結果は、地上望遠鏡や過去の探査機によって観察されてきた冷却傾向が2026年まで続いていることを裏付けた。JWSTのデータは、現在の温度が20世紀後半に記録されたものよりも大幅に低いことを示している。天王星が太陽から遠く離れていることを考えると、従来の太陽加熱モデルではこれらの変化を完全には説明できないため、この現象は特に驚くべきものである。科学者たちは、この冷却の背後にあるメカニズムを解明することが、巨大惑星が数十年のタイムスケールでどのように温度を調節しているかを理解するために不可欠であると考えている。
新たな測定結果は、天王星の大気中のイオン密度について何を明らかにしているのか？
新たな測定の結果、天王星の大気中のイオン密度は雲頂から約1,000キロメートルで最大に達する一方、大気温度はそれよりもはるかに高い3,000キロメートルから4,000キロメートルの間でピークに達することが明らかになった。また、マッピングにより、オーロラ帯の間にイオン密度の低い「暗い」領域が特定されたが、これは以前に木星で観察された構造に似ている。
これらの発見は、ノーザンブリア大学のヘンリック・メリン博士が率いる一般観測プログラム5073を通じて可能となった。望遠鏡の面分光ユニット（IFU）を使用することで、チームは電離層の垂直構造を分離することができた。この研究は、イオンの密度が均一な勾配に従うのではなく、惑星の磁気環境に強く影響されることを強調している。パオラ・ティランティは、この垂直構造を追跡することは、同様の磁気異常が存在する可能性がある太陽系外の巨大惑星の大気力学を特徴付けるための重要なステップであると説明した。
巨大氷惑星のエネルギー収支への影響
天王星のエネルギー収支を理解することは、太陽系外惑星科学の分野に広範な影響を及ぼす。巨大氷惑星は銀河系で最も一般的なタイプの惑星の一つであるため、ノーザンブリア大学の研究者が提供した3次元マップは、同様の世界に何を期待すべきかについての「ゴールドスタンダード（標準指標）」として機能する。この研究は、オーロラによる加熱と磁場相互作用が大気の挙動の主要な推進力であり、主星から遠く離れた場所にある惑星にとっては、太陽放射の影響を上回る可能性があることを示唆している。
また、このデータは将来の探査ミッションにとっても重要な文脈を提供する。現在、宇宙機関は天王星の内部と大気をその場で研究することを目指す天王星オービター・プローブミッションを検討している。JWSTの知見は、電離層を間近で研究するために必要な機器やミッションパラメータを精査するのに役立つ。イオン密度と温度がピークに達する特定の高度を明らかにすることで、将来の探査機が遭遇するであろう大気抵抗や放射線環境をエンジニアがより正確に予測できるようになる。
惑星オーロラの比較
天王星のオーロラはその偏った磁場によって引き起こされるが、太陽系の他の場所におけるオーロラ活動と根本的な類似点を共有している。地球では、現在オーロラ活動が活発で、Kp指数が5を示しており、中程度の（G1）地磁気嵐が発生している。このような期間中、オーロラは北緯56.3度という低緯度でも観測可能であり、以下のような地域が含まれる：
- フェアバンクス、アラスカ（アメリカ）
- レイキャビク、アイスランド
- トロムソ、ノルウェー
- ストックホルム、スウェーデン
- ヘルシンキ、フィンランド
しかし、天王星では、これらの「光のショー」は赤外線スペクトルで発生し、宇宙空間へ数千キロメートルにわたって広がるはるかに大規模なものである。JWSTは最近、木星や海王星でも同様の現象を捉えており、オーロラ活動は磁場を持つ惑星に共通の特徴であることを示唆しているが、その具体的な見え方は惑星の化学組成や磁気方位に大きく依存する。
巨大氷惑星研究の未来
この3次元マッピングプロジェクトの成功は、ノーザンブリア大学の太陽・宇宙物理学研究グループにとって新たな時代の幕開けを告げるものである。今後の研究はおそらく、天王星科学の「次なる課題」に焦点を当てることになるだろう。つまり、30年にわたる冷却傾向が周期的なものなのか、それとも永続的な変化なのかを判断することである。天文学者たちは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用して、84年にわたる公転周期の異なる時点で追跡観測を行い、季節の変化が電離層の3次元構造にどのように影響するかを確認する計画を立てている。
最高の宇宙科学観測拠点として、ウェッブは宇宙の起源を見つめる一方で、私たちの身近な近隣領域の謎も解き明かし続けている。NASA、ESA、CSAの支援を受けた本研究は、惑星科学における最も複雑な問いに取り組む上での国際協力の重要性を強調している。天王星の初の3次元マップが完成した今、科学界は太陽系の端に位置する巨星たちの「神秘的な構造」の理解へと一歩近づいた。
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