[論文レビュー] Observations of Extreme ICME Ram Pressure Compressing Mercury's Dayside Magnetosphere to the Surface

R. M. Winslow, Noé Lugaz+7 more|University of New Hampshire Scholars Repository (University of New Hampshire at Manchester)|Mar 1, 2019

Astro and Planetary Science被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、メッセンジャー探査機が、M型の主系列星の周囲を回る系外惑星における大気損失のメカニズムに影響を与える可能性がある、水星の昼側磁気圏が極端な間欠的コロナル・マス・エジェクション（ICME）の圧縮によって惑星の表面まで圧縮された直接観測を報告している。この現象は、磁場強度が40%増加し、エキゾスフェアにおけるナトリウムイオンのフラックスが増加することで確認された。この出来事は、ICMEに起因する高い衝撃圧が、弱い水星の磁気圏を完全に崩壊させ、直接的なプラズマ-表面相互作用を可能にし、大気のスプラッタリングを引き起こすことを示しており、M型の主系列星の周囲を公転する近接軌道の系外惑星における大気損失に重要な示唆を与える。

ABSTRACT

Mercury's magnetosphere is known to be affected by enhanced ram pressures and magnetic fields inside interplanetary coronal mass ejections (ICMEs). Here we report detailed observations of an ICME compressing Mercury's dayside magnetosphere to the surface. A fast CME launched from the Sun on November 29 2013 impacted first MESSENGER, which was orbiting Mercury, on November 30 and later STEREO-A near 1 AU on December 1. Following the ICME impact, MESSENGER remained in the solar wind as the spacecraft traveled inwards and northwards towards Mercury's surface until it reached and passed its closest approach to the planet (at 371 km altitude) without crossing into the magnetosphere. The magnetospheric crossing finally occurred 1 minute before reaching the planet's nightside at 400 km altitude and 84$^\circ$N latitude, indicating the lack of dayside magnetosphere on this orbit. In addition, the peak magnetic field measured by MESSENGER at this time was 40% above the values measured in the orbits just prior to and after the ICME, a consequence of the magnetospheric compression. Using both a proxy method at Mercury and measurements at STEREO-A, we show that the extremely high ram pressure associated with this ICME was more than high enough to collapse Mercury's weak magnetosphere. As a consequence, the ICME plasma likely interacted with Mercury's surface, evidenced by enhanced sodium ions in the exosphere. The collapse of Mercury's dayside magnetosphere has important implications for the habitability of close-in exoplanets around M dwarf stars, as such events may significantly contribute to planetary atmospheric loss in these systems.

研究の動機と目的

• 極めて高強度のイベントである稀な状況下で、極端なICMEの衝撃圧が水星の磁気圏に与える影響を調査すること。
• 極端な太陽風条件下で、水星の昼側磁気圏が完全に惑星の表面まで圧縮されるかどうかを特定すること。
• 直接的なプラズマ-表面相互作用によって引き起こされる磁気圏の崩壊と、エキゾスフェアにおけるナトリウムイオン生成の関連を特定すること。
• このような磁気圏の崩壊が、M型の主系列星の周囲を公転する近接軌道の系外惑星における大気の脱出に与える影響を評価すること。
• 極端な宇宙天気イベント中に磁気圏境界の崩壊を検出するためのリモートセンシングおよびイン・サイト測定の有効性を検証すること。

提案手法

• ICME通過時、水星表面から371 kmの高度を飛行した軌道2577におけるメッセンジャーの磁場およびプラズマデータの分析。
• STEREO-Aが得たイン・サイトの太陽風測定値を用い、1 AUにおけるICMEの衝撃圧を推定し、プロキシ法を用いて水星軌道にまで外挿算すること。
• ICME前後におけるメッセンジャーの磁気圏境界（磁気圏プレイン）通過時刻と磁場強度を比較し、圧縮効果を特定すること。
• FIPS（高速イメージング・プラズマ分光計）によるナトリウムイオン観測と磁気圏境界の挙動を照合し、スプラッタリングに起因するエキゾスフェア強化を評価すること。
• 水星の磁気圏境界（磁気圏プレインおよびバッシュック）の経験的モデルを用い、極端な衝撃圧下でのスタンド・オフ距離を推定すること。
• メッセンジャーのICMEデータセット（69件）からの統計的スケーリングを応用し、太陽活動極大期における磁気圏崩壊イベントの頻度を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ICMEの衝撃圧は、水星の昼側磁気圏をどれほど惑星の表面まで圧縮できるか？
• RQ2 2013年11月のICMEイベント中に、磁気圏プレインが水星の表面に位置していたという証拠は何か？
• RQ3 磁気圏の崩壊は、水星のエキゾスフェアにおけるナトリウムイオン生成にどのように影響するか？
• RQ4 このような磁気圏の崩壊は、M型の主系列星の周囲を公転する近接軌道の系外惑星における大気損失にどのような影響を与えるか？
• RQ5 メッセンジャーの観測に基づき、太陽活動極大期に水星でこのような極端な圧縮イベントがどれくらいの頻度で発生するか？

主な発見

• メッセンジャーは、371 kmの高度で磁場強度が40%増加したのを観測し、水星の磁気圏が表面まで極めて強い圧縮を受けたことを示した。
• 磁気圏境界は、最近接点の1分前まで400 kmの高度と84°Nの位置で確認されず、この軌道中は昼側磁気圏が存在しなかったことを確認した。
• ICMEの衝撃圧は86 nPaを超え、水星の磁気圏を崩壊させる閾値を上回っており、水星で測定された中で最高の値であった。
• FIPSデータでは、圧縮のピーク時には日向帯のエクアトリアル領域にナトリウムイオンが観測されず、磁気圏の崩壊と整合的であった。その後の軌道では、スプラッタリングに起因するナトリウムイオン密度の上昇が観測された。
• この出来事は、ICMEプラズマが低緯度地域の水星表面に直接衝突可能であり、エキゾスフェアナトリウム生成の新たなメカニズムを裏付ける直接的証拠を提供した。
• 本研究では、ICMEに影響を受けるメッセンジャーの軌道の約30%が磁気圏崩壊を経験したと推定され、ベピコロムボの水星での通常ミッション期間中に約10件の同様のイベントが予想される。