概要

「あらせ」(ERG) は、JAXA宇宙科学研究所 (ISAS) によって開発された地球周回衛星です。2016年12月20日に、鹿児島県内之浦宇宙空間観測所 (USC) からイプシロンロケットによって打ち上げられました。このミッションの主目的は、地球の放射線帯 (ヴァン・アレン帯) における相対論的電子の加速および損失メカニズムを、宇宙嵐のような地磁気擾乱時に解明することです。特に、内側磁気圏でのプラズマ、粒子および電磁場の包括的な現地測定を行うことが重要です。
「あらせ」は 19 eV から 20 MeV の連続電子エネルギースペクトル、ならびにDCから 20 kHz までの連続電磁波形を測定します。

衛星の重量は約 350 kg で、近地点高度 460 km、遠地点高度約 32,000 km、傾斜角31 度の楕円軌道を、周期は約 570 分で周回しています。スピン安定方式の姿勢制御法を採用しており、スピン軸は太陽に向かって 15度 (4-20度の範囲) の方向、スピン周期は約8秒です。

観測装置について

Low-Energy Particle Experiments - Electron Analyzer (LEP-e)

LEP-e は低エネルギー電子の三次元分布関数観測を行う装置です。計測器は静電分析器、マルチチャネルプレート (MCP)、高電圧電源および電源部からなり、静電分析により ~19 eV から ~19 keV の電子を、32 のエネルギーステップで計測します。扇形をした視野で、衛星のスピン運動により16方向のスピン位相方向でそれぞれ計測を行うことで、三次元観測を可能とします。このエネルギー範囲の電子は内部磁気圏で支配的であり、このような電子の測定は磁気圏ダイナミクスや波動粒子相互作用を理解する上で重要です。

Low-Energy Particle Experiments - Ion Mass Analyzer (LEP-i)

LEP-i は、<0.01 から 25 keV/q までの低エネルギー範囲をカバーするイオンエネルギー質量分析計です。入ってくるイオンの種類は、電荷あたりの静電エネルギー分析とTime Of Flight法の組み合わせによって識別されます。このセンサーは平面視野を備えており、衛星の回転運動を利用して 4π ステラジアンをカバーします。

Medium-Energy Particle Experiments - Electron Analyzer (MEP-e)

MEP-e は、7～87 keV の中間エネルギー範囲で、入射する電子のエネルギーと飛来方向を測定する静電分析器です。センサーは16個の検出器で2πラジアンの円盤状の視野をカバーし、衛星のスピン運動によって全立体角のカバーが達成されます。電子エネルギーは静電アナライザーとアバランシェフォトダイオード (APD) によって独立に測定され、それらの検出波高を比較することで、大幅なバックグラウンド低減を可能にしています。

Medium-Energy Particle Experiments - Ion Mass Analyzer (MEP-i)

MEP-i は、10-180 keV/qの中エネルギー領域におけるイオン質量分析装置です。入射イオンは静電分析器 (ESA) によりエネルギー電荷比 (E/q) および飛来方向を分析します。イオンの飛行時間 (TOF) により質量電荷比 (M/q) を同定し、シリコン固体検出器 (SSD) によってイオンのエネルギー (E) を計測し、電荷 (q) を求めます。

High-Energy Electron Experiments (HEP)

HEP は、70 keV-2 MeVの高エネルギー電子を測定する装置です。ピンホールと固体検出器を用いたピンホールカメラであり、検出器としては片面シリコンストリップ半導体検出器を用いて、1次元の位置分解を行い、 入射口と検出器の位置で決まる視野角60度内を分解し、12度ごとのデータを生成します。MeV 電子まで計測するために、薄いシリコン半導体を積層して、各層でエネルギー計測を実施し、積算することにより、エネルギーを計測します。

Extremely High-Energy Electron Experiment (XEP)

XEP は、0.4-20 MeV の極めて高いエネルギーの電子を観測します。5 枚の固体シリコン検出器　 (SSD) と 1 個のシンチレータ (GSO+PMT) で構成されており、側面からのコンタミネーションを除去するため、GSO シンチレータを取り囲むプラスチックシンチレータが装備されています。エネルギー計測範囲の低エネルギー部は SSD にてエネルギー検出を行い、高エネルギー部は GSO を併用して検出します。

Plasma Wave Experiment (PWE)

PWE は、DCから20 kHzまでの範囲のプラズマ波動を測定する装置です。
直交電界センサ (WPT：ワイヤープローブアンテナ) 、3軸磁気センサ (MSC：磁気サーチコイル) 、および電界検出器 (EFD) 、波形捕捉・オンボード周波数分析器 (WFC/OFA) 、高周波分析器 (HFA) という受信機で構成され、内部磁気圏の直流電界とプラズマ波動を測定するために開発されました。これらのセンサーと受信機を用いて、PWEは電場では DC から10 MHzまで、磁場では数 Hzから 100 kHzまでの広い周波数範囲をカバーします。毎日24時間、ELF/VLF/HFレンジの連続波スペクトルとELFレンジ波形を生成します。また、波の方向探知用の連続データとしてスペクトル行列を作成します。さらに、“コーラスバースト” と “EMICバースト” の2種類の波形バーストデータを断続的に作成しています。また、波と粒子の直接的な相関を導出する Software-Type Wave-Particle Interaction Analyzer (S-WPIA) に生波形データを入力します。

Software-Type Wave-Particle Interaction Analyzer (S-WPIA)

S-WPIA は、波動と粒子の相互作用をソフトウェアベースでリアルタイムに解析するシステムです。これにより、波動と粒子のエネルギー交換に関する詳細なデータを取得します。

Magnetic Field Experiment (MGF)

MGF は、内部磁気圏における粒子加速過程を検証するために設計されました。磁場の強さと方向の正確な測定は、粒子の運動、粒子と相互作用する波の特性、電流によって引き起こされる磁場変動の研究に不可欠です。時間的な磁場変動を観測することで、相対論的な電子やリングカレント粒子の生成や損失を引き起こす超低周波領域における磁気流体力学や電磁イオンサイクロトロン波をより深く理解することができます。磁場実験 (MGF) のハードウェアとソフトウェアの設計は、これらの現象を研究するための要件を満たすように最適化されました。
MGF は、256ベクトル/秒のサンプリングレートで測定を行い、データはテレメトリのバジェットに合わせてオンボードで平均化される。磁力計は、ローカル磁場強度に応じて、ダイナミックレンジを ±8000 から ±60,000 nT の間で切り替えます。装置はプリフライトテストと軌道上データの分析によって校正されます。
MGF は、地磁気の変動を観測し、放射線帯の環境変動に関するデータを提供します。

成果

「あらせ」は、地球の放射線帯における相対論的電子の加速および損失メカニズムの解明に重要なデータを提供しています。このデータを基に、宇宙嵐時の地磁気環境の変動や放射線帯の動態に関する研究が進んでいます。今後もさらに詳細な観測データの収集が期待されています。