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天王星と海王星の磁場は、太陽系のほかの惑星とまるで形が違う。この2つの惑星の内部を計算機の中に組み立て、その奇妙な磁場を再現した研究が、11月3日に学術誌 Communications Physics に載った。決め手になったのは、惑星の奥へ行くほど電気が通りやすくなる、という内部の性質だった。そして計算は、もう一つ気になる結果も出した。私たちが知っている2つの惑星の磁場は、もう当時の形をしていないかもしれない。
探査機が一度だけ測った、形の崩れた磁場
天王星と海王星の磁場を直接測ったのは、1986年と1989年にそばを通り過ぎた探査機ボイジャー2号だけだ。それ以来、どちらの惑星にも探査機は行っていない。
地球の磁場は、北と南に極が1つずつある棒磁石の形（双極子）に近い。木星も土星も水星も同じで、惑星の表面での磁場のエネルギーのうち74〜98%を、自転軸にそろった棒磁石の成分が占める。ところが天王星と海王星では、この成分が12%しかない。残りは、極が3つ、4つとあるような複雑な成分に散らばっている。
棒磁石に当たる成分だけを取り出しても、その向きは自転軸から大きく外れている。傾きは天王星で59度、海王星で47度ある。さらに、磁場の強さが惑星の片側に偏っていて、自転軸のまわりにぐるりと回すと形が変わる。論文はこの偏りを、天王星と海王星にだけ目立つ特徴として扱っている。2つの惑星でたまたま同じ偏りを、たまたま一度の通過で見たとは考えにくいからだ。
不思議なのは、2つの惑星が熱の面ではまったく似ていないことだ。海王星は太陽から受け取るエネルギーのほぼ2倍を宇宙に放っているが、天王星は受け取る分をほとんど上回らない。内側の熱の出方がこれだけ違うのに、磁場の形と強さはよく似ている。
深いほど電気を通す「水」を、計算に入れた
惑星の磁場は、内部で電気を通す液体がかき回されることで生まれる。この仕組みをダイナモ（発電機）と呼ぶ。地球では、核の外側にある溶けた鉄がその役を担う。
天王星と海王星では、水を多く含む層が主役だと考えられている。高い圧力と温度のもとでは、水の分子がばらばらになってイオン（電気を帯びた粒）の状態になり、電気を通すようになる。高圧の実験や計算によると、この変化は30万〜50万気圧ほどで起こる。圧力は深いほど高いので、電気の通しやすさ（電気伝導度）も深いほど上がっていく。
テキサス大学オースティン校の地球物理学研究所に所属するチー・ヤン（Chi Yan）さんたち6人のチームは、この「深いほど電気を通す」という性質を、ダイナモの計算にそのまま入れた。これまでの氷惑星のダイナモの計算は、内部に動かない層を置いたり、中心に固い核を置いたりして複雑な磁場を作ってきたが、電気伝導度が深さによって変わることは扱ってこなかったという。
チームは、対流の起こる層の厚さを3通り、電気伝導度の深さによる変わり方を4通り（深さで変わらないものを含む）組み合わせ、球の中で液体がかき回される様子を計算した。電気伝導度が一定のままだと、どの厚さでも、地球のような棒磁石型の磁場ができた。ところが、外側ほど電気を通しにくくなるように変えると、磁場は極がいくつもある形に変わり、ときどき向きが入れ替わるようになった。磁場の強さの目安になる数値も、100分の1から1万分の1まで下がった。
外側で電気が通りにくいと、そこでは磁場が液体の流れを抑えにくい。流れは細かく激しくなり、表面から見える磁場もそれに引きずられて複雑になる。とくに対流の層が薄めのモデルで、天王星や海王星の磁場とよく似た形がたびたび現れた。磁場の片側への偏りも、ボイジャー2号の測定に近い程度まで再現できた。
この結果は、内部の条件を細かく合わせ込まなくても出てくる。層の厚さや電気伝導度の変わり方を振っても同じ傾向が残ったので、天王星と海王星の内部が多少違っていても、似た磁場になることを説明できる。
再現できた磁場は、数十年で形を変えていた
計算の中の磁場は、止まっていなかった。天王星にいちばん似た瞬間の磁場を、そのまま32年進めると、似ている度合いははっきり崩れた。海王星に似たモデルでも同じだった。
変わる速さには大きな幅があった。あるモデルでは、棒磁石に当たる成分の傾きが40年で84度も動いた。別のモデルでは、天王星に似ている時期の40年間で13度しか動かず、ほとんど止まって見える時期もあった。海王星に似たモデルでは、40年で11度のものから、26〜56度のものまであった。
ヤンさんは「地球の磁軸の傾きは、50年で1度ほどしか動かない。氷の巨大惑星のモデルでは、数十年で数十度振れる時期もあれば、同じ期間でわずかしか動かない時期もある」とコメントしている（Space.com より）。
ボイジャー2号が天王星を通ってから、もう40年がたつ。私たちが天王星と海王星の磁場について持っている地図は、その一度の通過で描いたものだけだ。計算が正しければ、その地図は今の磁場とずれている可能性がある。
これは実際に困ることにつながる。地上の望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、天王星と海王星のオーロラを観測してきた。オーロラは磁場の極のまわりで光るので、どこが光ったかを読み解くには磁場の形が要る。その読み解きにも、ハッブルのオーロラの画像から天王星の自転の周期を求め直した研究にも、ボイジャー2号の時代の磁場がそのまま使われてきた。論文は、磁場が変わっていればそうした解釈に系統的なずれが入ると指摘している。
天王星のオーロラは、これまでの観測でボイジャー2号のころとおおむね同じあたりに見えている。ただ、場所の不確かさは緯度で10〜20度ある。13度しか動かなかったモデルの時期なら、この範囲に収まる。今の観測だけでは、磁場が大きく動いたのか、ほとんど動いていないのかを決められない。
止まって見える磁場なら、内部はもっと熱いのかもしれない
計算の中では、ゆっくりしか動かない時期は長く続かず、いずれ傾きが大きく変わった。論文は、もし今後の観測で天王星の磁場が長いあいだほとんど変わっていないと分かったら、それ自体が内部の手がかりになると書いている。ダイナモの層の電気伝導度が今の見積もりより10倍高ければ、磁場はゆっくりとしか変わらなくなり、傾きは500年ほど5度以内に収まる。そうであれば、天王星のダイナモの層は思われていたより熱いか、もっと電気を通しやすい物質を含んでいることになる。
磁場が動いたかどうかを確かめる手がかりは、オーロラの観測と、次に天王星へ行く探査機だ。論文の共著者には、JWST で海王星の赤外線のオーロラを初めてとらえた研究を率いた、ノーサンブリア大学のヘンリク・メリン（Henrik Melin）さんも入っている。Space.com によると、NASA は2040年代のはじめに天王星へ戻る探査を優先課題にしている。ボイジャー2号が一度だけ描いた地図と、何十年も後に描く地図を比べられれば、この計算が内部の姿をどこまで言い当てていたかが分かる。
天王星と海王星の内部で水がどんな姿になっているかは、高圧実験の側からも調べられている。水の氷が極端な圧力でどう変わるかを調べた研究は、水の氷は222万気圧を超えると、もっと整うどころか崩れ始めた。天王星・海王星の内部にある「氷X」の上限が書き換わるで紹介している。
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出典
- Yan, C., Soderlund, K. M., Aurnou, J. M., Cao, H., Masters, A., Melin, H. (2026) Electrical conductivity structure drives anomalous and potentially time-varying magnetic fields at Uranus and Neptune. Communications Physics 9, 336.（オープンアクセス）https://doi.org/10.1038/s42005-026-02841-y
- Space.com（2026年11月10日）Uranus has a weird magnetic field that’s stumped scientists for 40 years — we may finally know why https://www.space.com/astronomy/uranus/scientists-may-finally-understand-the-weird-magnetic-fields-of-uranus-and-neptune
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