木星は電子をほぼ光速まで加速する――超新星が宇宙線を生むのと同じ仕組みで

木星のすぐ前方、太陽風が惑星の巨大な磁場に初めてぶつかる場所で、NASAの探査機ジュノーはほぼ光速で動く電子を測定した。粒子は最初からそれほど速かったわけではない。惑星の前方に広がる乱れた境界で、その場で加速され、同じ過程が地球の近くで生み出すよりもさらに高い速度に達していた。

この一つの測定は、木星をはるかに超えて意味を持つ。巨大惑星がありふれた粒子を極端なエネルギーまで叩き上げるさまは、銀河が宇宙線を作り出す仕組みを小さくした版のように見える。宇宙線とは、宇宙空間を流れ、毎秒地球の大気へ降り注ぐ高エネルギー粒子のことだ。何十年ものあいだ、この結びつきは強い疑いにとどまっていた。いま、惑星規模で働くその仕組みの直接的な測定が手に入った。

すべては「前面衝撃波」と呼ばれる領域で起きる。これは、太陽風が惑星の磁気の盾に押し寄せる鋭い境界であるバウショックのすぐ手前にできる、かき乱された磁場と跳ね返された粒子の帯だ。その乱れの中で、磁気の条件は通り過ぎる粒子の一部をつかまえ、何度も前方へ放り出すことができる。通過のたびにエネルギーが加わり、やがて小さな集団が相対論的な速度で動くようになる。

木星を決定的にしているのはその大きさだ。そのバウショックは地球のものを小さく見せ、ジュノーがとらえた電子もそれに合わせて大きくなり、私たちの惑星の近くの同じ環境で測られたどんなものよりも高いエネルギーに達した。この「スケール則」こそが収穫である。より大きな衝撃波が予測可能なかたちで粒子をより高い速度に加速するなら、同じ規則は、爆発する星が放つはるかに巨大な衝撃波面――銀河宇宙線の起源の有力候補――にまで引き伸ばせる。

チームは木星だけに頼らなかった。ジュノーの読み取り値を、地球の近くで同じ物理を見張る二つの探査計画の測定と比べた。そこでは探査機が前面衝撃波の内部に陣取り、細かく標本を取れる。これほど異なるスケールのあいだで一致が見られたことこそ、研究者たちが木星限りの局所的な変わり種ではなく、一つの普遍的な過程を見ているのだと主張できる根拠だ。

この主張は今なお、特定の周回中にとらえた一つの惑星の衝撃波に依っており、電子は、より重い陽子や原子核が主役を占める宇宙線の物語の一部にすぎない。結果を超新星残骸へ広げることは、大きさとエネルギーの巨大な飛躍を越えて同じ物理が成り立つと仮定することであり、その橋はまだ直接には観測されていない。測定は問いを狭めるが、閉じはしない。

宇宙線がどこから来るのかを理解することは、抽象的な謎解きではない。これらの粒子は、宇宙飛行士や探査機の電子機器が受ける放射線の危険を決め、惑星大気の化学を駆動し、銀河じゅうにエネルギーを運ぶ。加速を、自分たちの太陽系で観察できる過程に結びつけることは、宇宙の謎を検証可能なものへと変える。

この成果は科学誌ネイチャーに発表された。2016年から周回を続けるジュノーは、木星のまわりの長い弧を描く飛行を続けており、その一周ごとに観測機器は再び前面衝撃波を通り抜ける。この加速の次の測定は、そこで行われることになる。

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