[論文レビュー] Analysis of HST, VLT and Gemini coordinated observations of Uranus late 2017 : a multi-spectral search for auroral signatures

Laurent Lamy, C. Berland+8 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Oct 19, 2018

Astro and Planetary Science被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、2017年11月下旬に、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）、VLT、ジェミーニ望遠鏡の協働観測を通じて、太陽からのコロナルームエジェクション（CME）に続くオーロラの兆候を、ウラヌスで調査した。近赤外（NIR）画像によるH₃⁺発光と、遠紫外（far-UV）画像による南半球オーロラスポットの分析により、H₃⁺に局所的なオーロラ増強は認められず、予測された磁気ストームにもかかわらず一時的なオーロラ粒子降着は発生しなかったことが示された。また、南極付近でH₃⁺発光が最大値を示す非均一な分布が確認された。

ABSTRACT

On 6 Sept. 2017, an exceptional coronal mass ejection departed from the Sun toward the Earth and Uranus, whose magnetospheres are sensitive to the solar wind. The resulting interplanetary shock triggered geomagnetic storm and intense aurora at Earth the next day and was predicted by MHD models to reach Uranus around 10-11 Nov. This event provided a unique opportunity to investigate the auroral response of the asymmetric Uranian magnetosphere in its intermediate equinox-to-solstice configuration. Coordinated multi-spectral observations were acquired with the Hubble Space Telescope (HST) in the far-UV (FUV), with the Very Large Telescope (VLT) and Gemini North in the near-IR (NIR) and with Chandra in the X-ray domain. In this study, we focus on the analysis of NIR images obtained between 9 and 17 Nov. 2017 which are compared to one FUV image acquired on 11 Nov. The latter reveals a bright southern auroral spot in the H2 bands, which we use as a reference to locate auroral precipitations. The NIR images were aimed at mapping H3+ emission from the Uranian ionosphere and at updating the results built from a couple of pioneer images taken 25 years ago. These new high resolution images reveal H3+ from the whole disc although brighter near the southern pole, but show no evidence of localized auroral emission.

研究の動機と目的

• 2017年11月に地球に到達し、ウラヌスに到達すると予測されたコロナルームエジェクション（CME）が、ウラヌスの非対称な磁気圏に与えるオーロラ反応を調査すること。
• オーロラ粒子降着のトレーサーとして知られるH₃⁺の振動・回転遷移放射を用いて、近赤外（NIR）で一時的なオーロラ放射を検出すること。
• 1993年のIRTF観測を更新し、より高分解能で複数エポックにわたるNIR画像を取得することで、当該観測を改善すること。
• HSTが検出した遠紫外（far-UV）オーロラスポットとH₃⁺発光の空間分布を比較し、H₃⁺がオーロラ降着と相関しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 協働多波長観測を実施：HST/STISによる遠紫外（FUV）観測で直接オーロラを検出、VLT/NACOおよびジェミーニ/NIRIによる近赤外（NIR）観測でH₃⁺発光マッピングを実施。
• VLT/NACOでは適応光学を、ジェミーニ/NIRIでは非適応画像を用いて、L’およびBrαフィルターで高空間分解能と感度を達成。
• VLTおよびジェミーニの6つのシーケンスからの背景差し引き済みNIR画像と、HSTからの1枚のFUV画像を処理し、H₃⁺発光およびオーロラ形態に注目。
• 11月11日のFUVオーロラスポットとNIRのH₃⁺画像を比較し、オーロラ降着と空間的相関があるかを検証。
• H₃⁺発光ラインを分離し、SN比を向上させるために、狭帯域のBrαフィルター（3.95–4.02 μm）を用いた。
• ジェミーニ/NIRIのJおよびBrαフィルターからの平均画像を分析し、長期的な空間分布を評価し、アルベド特徴と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2017年11月に予測されたコロナルームエジェクションが、ウラヌスの磁気圏で検出可能な一時的オーロラ放射を引き起こすか？
• RQ2 2017年11月11日にHSTが観測した遠紫外オーロラスポットと、近赤外でのH₃⁺発光は空間的に相関しているか？
• RQ3 ウラヌスのH₃⁺発光分布は、以前のモデルや1993年の限定的観測で示唆されたように、局所的なオーロラ加熱や降着の痕跡を示しているか？
• RQ4 H₃⁺発光の空間分布は、太陽光の反射アルベド特徴、特に明るい南極付近の極域キャップとどのように比較されるか？
• RQ5 非均一なH₃⁺発光は、オーロラ活動とは無関係な大気過程や熱圏温度変動を反映しているのか、その程度はどの程度か？

主な発見

• 2017年11月11日に取得したHSTのFUV画像は、H₂バンドにおける明るい南半球オーロラスポットを明らかにし、磁気極での一時的オーロラ降着が確認された。
• FUVオーロラスポットが明確に観測されたにもかかわらず、VLTおよびジェミーニのNIR画像では局所的なオーロラH₃⁺発光は検出されなかった。
• H₃⁺発光はウラヌスのディスク全体にわたり非均一に分布しており、南極付近で明確な強度ピークが観測された。
• H₃⁺発光の空間分布は、太陽光の反射輝度分布とよく一致しており、特に-40°以南の地域で顕著で、オーロラ過程ではなく大気アルベド特徴と関連している可能性を示唆した。
• 局所的なH₃⁺発光が認められないことから、予測された磁気ストームにもかかわらず、オーロラ粒子降着がH₃⁺密度を顕著に増加させなかったことが示された。
• 1993年のIRTFデータの以前の解釈に反し、H₃⁺発光は均一に分布しておらず、むしろ熱圏温度や大気組成の変動によって駆動されている可能性があることが明らかになった。