火星のオーロラ、地球と同じ物理メカニズムで発生 MAVEN探査機のデータから判明

火星の局所的なオーロラが、地球のオーロラと同じ磁気リコネクションの仕組み（ダンジェイ・サイクル）で発生していることが判明した。全球的な磁場を持たない惑星でもこのサイクルが機能することを示す画期的な発見であり、将来の有人火星探査に向けた宇宙天気予報の精度向上にもつながる。本研究は、2025年末に通信途絶したNASAの火星探査機「MAVEN」のデータから導き出された。

■地球と同じメカニズム「ダンジェイ・サイクル」の発見

北極圏の夜空を彩る地球のオーロラは、「ダンジェイ・サイクル」と呼ばれる明確に解明された磁気エンジンの目に見える出力である。これは、1961年にこの現象を記述したイギリスの物理学者ジェームズ・ダンジェイにちなんで名付けられた、磁気リコネクション（磁力線つなぎ替え）の3段階のループを指す。過去60年間にわたり、このエンジンが機能するには、地球にあって火星にはないもの、すなわち太陽風を捉えて地球規模でエネルギーを循環させるのに十分な強さを持つ「全球的な磁場」が必要だと考えられてきた。しかし、2026年7月23日にNature Communications誌で発表された研究が、その前提を覆した。火星の古代の磁化された岩石が点在する上空で、同じメカニズムがひっそりとミニチュア規模で機能していることが、現在は失われたNASAの探査機「MAVEN」のデータから明らかになったのだ。

カリフォルニア大学バークレー校宇宙科学研究所の准研究物理学者であり、本研究の筆頭著者であるShaosui Xu氏は、NASAの発表の中で「火星で磁気リコネクションが起きていることは知っていたが、それがダンジェイ・サイクルのようなものだとは予想していなかった」と述べている。

この発見は、火星の局所的なオーロラに関する長年の謎を解き明かしただけではない。ダンジェイ・サイクルが機能するために惑星全体の磁気シールドは必須ではないことを証明しており、太陽系内やその外側において、同じ物理現象をどこで探すべきかを科学者たちに示唆している。

■40億年前に失われた火星の全球磁気シールド

この発見がなぜ予想外だったのかを理解するには、地球と火星の磁気環境がいかに異なるかを知る必要がある。

地球は、流動する溶融鉄のコア（核）が生み出す磁気保護バブルである、惑星規模の磁気圏に包まれている。太陽の磁力線がこのバブルに近づくと、地球自身の磁力線とリコネクションを起こすことがある。磁力線が切断されて再びつながるこのプロセスにより、磁気圏全体にエネルギーが注入され、最終的に電子が極地の大気へと押し出されて、私たちが地上から見るオーロラが形成される。これがダンジェイ・サイクルである。昼側で太陽風の磁力線が地球の磁場とリコネクションを起こし、新たに開いた磁束が太陽風の方向に沿って磁気圏を横切って運ばれ、夜側の磁気圏尾部で2回目のリコネクションが起きてループが閉じ、エネルギーを得た粒子が地球に向かって送り返される。論文によれば、地球における1回のフルサイクルは約1時間のオーダーで進行する。

一方、火星は約40億年前にコアが冷却して固化した際、全球的な磁場を失った。現在残っているのは、強く磁化された地殻のパッチ（斑点状の領域）が数十個あるのみだ。NASAによれば、これらは古代の全球磁場の中で冷却され、その磁場を永久に記録した古代の溶岩の残骸である。これらのパッチは火星の南半球に不均等に集中しており、それぞれが独自の小さな局所的磁気圏を形成している。論文はこの格差を正確に示している。地球の全球的な双極子磁場は火星の地殻磁場よりも約100倍強く、その磁気圏は約20倍大きな空間スケールで機能している。

今週の論文が発表される前から、科学者たちはこれらの地殻パッチの上空に局所的な紫外線オーロラが出現することを知っていた。欧州宇宙機関（ESA）のMars Expressが2005年に初めて検出し、MAVENの観測機器も繰り返し観測してきた。しかし、そのオーロラを生み出す電子にエネルギーを与えるメカニズムは完全には解明されていなかった。

■ミニチュア規模で起きる磁気リコネクション

Xu氏が率いるNature Communicationsの研究は、火星でもダンジェイ・サイクルが機能しており、それが単に惑星の地殻磁場パッチのスケールに縮小されているだけであることを発見した。

そのプロセスは次のように展開する。火星が自転するにつれて、太陽風によって運ばれる惑星間磁場が火星の強力な地殻磁場領域の1つに到達する。特に、火星の昼と夜の境界である夕方の明暗境界線付近で顕著となる。そこで、太陽風の磁力線が地殻の磁力線とリコネクションを起こす。このリコネクションが、地球のオーロラを駆動するのと同じ3段階の循環のミニチュア版を引き起こす。閉じられていた地殻の磁力線が開かれ、下流へと流され、夜側で再びリコネクションを起こして新たに閉じたループとなり、惑星に向かって戻っていく。その過程で、磁力線に沿った電場が電子を火星の上層大気へと下向きに加速させ、そこで一酸化炭素分子を励起し、探査機が離散型オーロラとして観測する紫外線放射を生み出す。

このスケールの圧縮は劇的である。地球のループが約1時間かかるのに対し、研究チームは火星版のループが約2分半で閉じると推定している。2回目のリコネクションは、磁気圏尾部を地球半径の15倍も下った場所ではなく、わずか火星半径数個分下流で発生する。ケーススタディの対象となった場所の局所的な地殻磁場は約270ナノテスラで、地球の100分の1の規模であり、それが駆動する電離層の血流循環は緯度方向に約200キロメートル、経度方向に約300キロメートルの範囲に及ぶ。

研究チームは、MAVENに搭載された3つの機器を使用してこの全体像を再構築した。磁力計（Magnetometer）は地殻パッチ上空の局所的な磁場構成をマッピングした。太陽風電子分析器（Solar Wind Electron Analyzer）はシステムを流れる電流を導き出すために使用された。そして、超熱・熱イオン組成測定器（STATIC）は電離層におけるプラズマの流れを捉えた。論文によれば、これは3つの中で最も困難な測定であり、イオン測定器の限界ギリギリの性能が求められたという。

「必要なデータを得るために、STATICの限界に本当に挑みました」とXu氏は語る。「それは、これらの局所的なオーロラを理解するためのパズルの最後のピースでした」

中核となる証拠は、2017年2月25日にMAVENが火星の夕方の明暗境界線付近にある最も強力な地殻磁場領域の上空を通過した際の、単一の軌道パスから得られた。その後、チームはさまざまな緯度と経度で同じ特徴を持つさらに6つのイベントを特定した。そのうち2つは11日間の間隔を置いてほぼ同じ場所で発生しており、これが、このサイクルが1回限りのものではなく定期的に機能していると主張する根拠となった。

■火星の大気流出の謎に迫る

現在の火星には全球的な磁場はないが、磁気的に不活性というわけではない。科学者たちはMars Global Surveyorのデータを用いて地殻の磁気異常をマッピングし、その結果、火星の地殻がかつての地球のような磁場が存在する中で冷却されることで、強力な磁化を獲得したことが示された。

その結果、火星は強さや向きが異なる数十の孤立したミニ磁気圏を持つ惑星となり、それらは主に片方の半球に散在し、それらを調整する全球的な構造は存在しない。これにより、火星と太陽風との相互作用は極めて複雑になり、今回の新しい論文が立証したように、強力な磁場を持つ個々のパッチにおいてダンジェイ・サイクルのような物理現象を発生させることが可能となっている。

MAVENは当初から、惑星科学における最も重要な疑問の1つに答えるために作られた。それは、「かつて表面に液体の水を維持できるほど温暖で湿潤だった火星が、なぜ今日のような寒く大気の薄い砂漠へと進化したのか」という問いである。10年以上にわたり、この探査機は宇宙空間へ逃げていく粒子を測定し、上層大気から原子を完全に弾き飛ばすスパッタリングと呼ばれるプロセスの初の直接観測を行った。

ダンジェイ・サイクルは、この大気流出メカニズムと関連している。このサイクルが機能すると、たとえミニチュア規模であっても、電流を駆動し、荷電粒子を加速させ、電離層におけるプラズマの循環を制御する。この循環は、イオン化された大気種がどのように動き、どこへ運ばれるかを形作り、地質学的な時間をかけて火星の大気がどのように剥ぎ取られていくかという、より大きな全体像の一部となっている。

コロラド大学ボルダー校の大気宇宙物理学研究所の研究科学者であり、MAVENの主任研究員であるShannon Curry氏は、同じNASAの発表の中で次のように述べている。「これは火星のオーロラに対する私たちの考え方を変える注目すべき結果であり、同じ基礎物理学に支配されていながら、火星と地球がなぜこれほどまでに異なる進化を遂げたのかを理解するための重要な一歩です。この発見をもたらしたチームの仕事を非常に誇りに思いますし、赤い惑星とその進化に関する新たな知見を明らかにすることに興奮しています」

著者らはこの結果を、地球のダンジェイ・サイクルや、木星と土星で支配的なVasyliunasサイクルと並ぶ、惑星の磁束とプラズマ循環の第3のカテゴリーとして位置づけている。これにより、太陽系外惑星のプラズマ環境への理解が深まり、オーロラの遠隔観測を用いて惑星の磁場がどのように機能しているかを推測する能力が向上すると彼らは主張している。

■宇宙飛行士の安全性への影響

放射線は、宇宙飛行士と火星表面の間に立ちはだかる最も困難な問題の1つであり、今回の発見がどこに位置づけられるかを正確に把握しておくことは重要である。

火星には全球的な磁場がなく、大気密度も地球の海抜のわずか0.6%しかないため、宇宙からの高エネルギー粒子は地球よりもはるかに減衰することなく地表に到達する。その放射線量の主な要因は、オーロラ電子よりもはるかに高いエネルギーを持つ銀河宇宙線と太陽高エネルギー粒子である。2026年3月にSpace Weather誌に掲載され、ESAによって要約されたChao Zhang氏らによる研究では、さまざまな遷移軌道と太陽活動レベルにわたる累積線量を計算し、ミッションのタイミングと軌道の選択によって、乗組員が生涯線量限度内に収まるかどうかが決まることが判明した。ESAは、地表での被ばく線量は惑星間移動中よりも最大60%低くなること、そしてその理由から洞窟や溶岩洞が居住地の候補となっていることを指摘している。

ミニ・ダンジェイ・サイクルは、これとは異なる高度で機能する別の現象である。このサイクルが加速する電子はキロ電子ボルト単位のエネルギーを持ち、そのエネルギーを火星大気の上層に堆積させて紫外線オーロラを生成する。これらは宇宙飛行士のブーツに届くようなものではない。今回の発見が貢献するのは、太陽風が火星の磁気環境とどのように結合し、粒子の降下を駆動するかについてのより明確な物理モデルを提供することであり、そのモデルは有人ミッションが依存することになる宇宙天気予報に役立てられる。NASAが述べているように、このプロセスについてさらに学ぶことは、太陽環境が火星全体とどのように相互作用するかについての理解を深めるものであり、ロボット探査であれ有人探査であれ、将来のミッションにとって不可欠である。

■MAVENの喪失と後継ミッション「ESCAPADE」

MAVEN自体はすでに失われている。2013年11月に1年間のプライマリーミッションとして打ち上げられたこの探査機は、2025年12月6日に火星の裏側に回った際に沈黙し、二度と通信を確立することはなかった。2月に招集されたNASAの審査委員会は、探査機が毎分約2.7回転の速度で回転するセーフモードに陥り、数時間でバッテリーを消耗したと結論づけた。NASAは2026年6月3日にミッションの終了を宣言した。根本的な原因は現在も調査中であり、最終報告書は今年後半に発表される予定である。

11年以上にわたる運用期間中、MAVENは複数の新しいタイプの火星オーロラを発見し、太陽活動の1サイクル全体にわたって大気流出を追跡し、800以上の科学論文に貢献した。また、火星ネットワークにおける最大容量の中継機ともなり、中継セッションのわずか8%強をサポートしただけで、火星表面から送信された全科学データの約18%を地球に送り返した。

研究者たちが今なおそのアーカイブから画期的な結果を抽出しているのは、ミッションの長寿と蓄積されたデータの深さの直接的な成果である。キャリアの大半を火星磁気圏の研究に費やしてきたXu氏は、この結果に対する個人的な思い入れを次のように語った。「大学院時代に、地殻磁場のサイクルが火星でどのように機能するのかについて指導教官と議論したことを覚えています。その疑問の答えを見つけたチームの一員になれたことは信じられない喜びです」

火星の太陽風と磁気圏科学のためのNASAの後継ミッションは、ESCAPADE（Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）である。これは、Rocket Labが製造し、カリフォルニア大学バークレー校宇宙科学研究所が主導する「Blue」と「Gold」と呼ばれる双子の小型衛星探査機である。これらは2025年11月13日に、ケープカナベラルからBlue OriginのNew Glennロケットで打ち上げられた。

この2機はまだ火星に向かっていない。現在は約1年間にわたるインゲン豆のような形をした地球近傍フェーズを周回しており、2026年11月に火星遷移軌道への噴射を行い、2027年9月に火星に到着し、軌道が同期した後の2028年春に科学運用を開始する予定である。Xu氏はESCAPADEの副主任研究員として、Curry氏は科学チームのメンバーとして名を連ねている。編隊飛行を行う双子の探査機は、火星周辺の2点から同時に測定を行い、今回の論文で詳細に記述されたミニ磁気圏のステレオビューを研究者たちに提供することになる。

■地球と火星のオーロラの違いと論文情報

地球では、地球の全球的な双極子磁場が高エネルギー粒子を2つの焦点に向かって漏斗のように集めるため、離散型オーロラは磁極付近で発生する。オーロラはそれらの極を取り囲むリングとして現れ、磁力線が収束する場所に形成される。

火星にはこの意味での極はない。全球的な磁場がないため、惑星規模の漏斗も存在しない。その代わり、局所的な地殻磁場パッチが太陽風と相互作用して独自のダンジェイ・サイクルのようなものを駆動するのに十分な強さのミニ磁気圏を形成する場所であればどこでも、離散型オーロラが形成される。したがって、火星の離散型オーロラは南半球の地理的に固定された場所、つまり地殻パッチの位置に固定されて出現し、地球でおなじみの可視光の緑や赤ではなく、紫外線で発光する。

火星が生み出すオーロラはそれだけではない。2024年3月の激しい太陽嵐の際、NASAの探査車Perseveranceは、火星で初めて可視光のオーロラを捉えた。これは地殻磁場ではなく太陽高エネルギー粒子によって駆動される、夜空全体に広がる拡散した緑色の輝きであった。これはまた、別の惑星の表面から観測された史上初のオーロラでもあった。

今回の新しい研究は、地球のオーロラと火星の局所的な離散型オーロラが、その核心において同じダンジェイ・サイクルの物理学の産物であることを確立した。違いはスケールと基盤である。数百万キロメートルに及ぶ全球的な双極子と磁気圏に対し、数百ナノテスラの地殻パッチが数百キロメートル幅の循環を駆動しているのである。

論文「Miniature Dungey-like cycle at Mars（火星におけるミニチュア版ダンジェイ様サイクル）」は、2026年7月23日にNature Communications誌で発表された。筆頭著者のShaosui Xu氏はカリフォルニア大学バークレー校宇宙科学研究所の准研究物理学者。MAVENの主任研究員であるShannon Curry氏はコロラド大学ボルダー校に所属している。NASAのゴダード宇宙飛行センターがMAVENミッションを管理し、科学運用はコロラド大学ボルダー校の大気宇宙物理学研究所が主導し、Lockheed Martin Spaceが探査機の製造と運用を行った。

■注目ポイントQ&A

●ダンジェイ・サイクルとは何ですか？また、それが火星で発見されたことはなぜ重要なのですか？

ダンジェイ・サイクルとは、地球の北極光や南極光（オーロラ）を駆動する磁気リコネクションの3段階のプロセスです。太陽風の磁力線が昼側で地球の磁場とリコネクションを起こし、新たに開いた磁束が磁気圏を横切って運ばれ、夜側の磁気圏尾部での2回目のリコネクションによってエネルギーを得た電子が極地の大気へと送られ、オーロラが発生します。60年間にわたり、科学者たちはこのサイクルが機能するには惑星規模の磁場が必要だと考えていました。しかし、2026年7月23日に発表されたMAVENのデータは、火星の局所的な地殻磁場パッチの上空でも、地球の約100分の1の磁場強度、約20分の1の空間スケールで機能することを示しています。これにより、ダンジェイ・サイクルは完全に磁化された惑星に限られたものではなく、スケールダウンしても機能するメカニズムであることがわかりました。

●火星には磁場があるのですか？

はい、ありますが、全球的なものではありません。火星は約40億年前にコアが冷却した際、惑星規模の磁場を失いました。現在残っているのは、南半球に散在する強く磁化された地殻のパッチで、これは火星の失われた全球磁場が存在していた時代に固化した古代の火山岩の残骸です。これらのパッチは、数十個の小さく孤立したミニ磁気圏を作り出しています。これらはMars Global Surveyorによってマッピングされており、火星の局所的な離散型オーロラや、今回確認されたミニ・ダンジェイ・サイクルが発生する場所となっています。

●この発見は将来の火星探査宇宙飛行士にとって何を意味しますか？

一見した印象ほど直接的な影響はありませんが、2つのことを分けて考える必要があります。ミニ・ダンジェイ・サイクルによって加速された電子はキロ電子ボルトのエネルギーを持ち、火星大気の上層に堆積して紫外線オーロラを生成するため、地表の放射線リスクにはなりません。地表の放射線問題は、はるかに高いエネルギーを持つ銀河宇宙線や太陽高エネルギー粒子によって引き起こされ、それに対する主な対策は打ち上げのタイミング、軌道の選択、そしてシールド（遮蔽）です。この研究が貢献するのは、太陽風が火星の磁気環境とどのように結合するかについてのより良い物理モデルを提供することであり、これにより有人ミッションが依存する宇宙天気予報の精度が向上します。

●ESCAPADEとは何ですか？また、この発見をどのように引き継ぐのですか？

ESCAPADE（Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers）は、火星の太陽風と磁気圏科学のためのNASAの後継ミッションです。Rocket Labが製造し、カリフォルニア大学バークレー校宇宙科学研究所が主導する「Blue」と「Gold」と呼ばれる双子の小型衛星探査機で、2025年11月13日にBlue OriginのNew Glennロケットで打ち上げられました。現在は地球近傍を周回するフェーズにあり、2026年11月に火星に向けて噴射を行い、2027年9月に到着、2028年春から科学運用を開始する予定です。ダンジェイ・サイクルの論文の筆頭著者であるShaosui Xu氏は、ESCAPADEの副主任研究員を務めています。2機の探査機が同時に異なる場所から観測を行うため、単一の探査機では決してできなかった、これらのミニ磁気圏が複数の場所で同時にどのように振る舞うかを研究することが可能になります。

元記事: Mars Auroras Run on Same Physics as Earth’s Northern Lights, MAVEN Orbiter Finds