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太陽探査船「ソーラーオービター」が解明謎:太陽内部から宇宙まで| sorae宇宙のポータルサイト

太陽は毎日上がって地球に熱と光をもたらします。 何千年もの間に光沢継続これは当然のように思われるかもしれないが、太陽はまだ深い謎がたくさんあります。 その謎は、太陽や他の星のための科学的な知識を広げていくことを意味することはもちろん重要ですが、その重要性はより現実的な理由も存在しています。

今、私たちは日常生活の中でGPSなどの技術を活用していますが、そこは人工衛星が大きな役割を担っています。 人工衛星やその関連技術を使用して、より安定したシステムを作っていくためには、太陽が人工衛星や技術にどのような影響を与えるかを知る必要があるのです。 宇宙飛行士の安全を守るという観点からも重要なことです。欧州宇宙機関(ESA)とNASAの太陽探査機ソーラー軌道と太陽観測の重要な役割のつがそこにあり、太陽の軌道が緩めうとしているのは、太陽のいくつかの不可解なのでしょうか?

■太陽の磁場は、地球にどのような影響を与えるだろうか?

ある日、太陽の磁場の様子。 これらの画像を「マグネットグラム」と2色を使用して磁場のN極S極を示します。 (Credit:ESA)

太陽は、様々な波長の光(電磁波)を出しています。 私たちの目に見える可視光線もその1種です。 太陽以内は、光の中の赤外線と可視光線に対してほぼ一定量を常に放出していますが、紫外線やX線は10倍から100倍、極端な場合には、何千もの倍その排出量が変化します。 このような変化の原因がまさに太陽の磁場の活動によるものであり、太陽光の軌道が注目するのも紫外線、X線の波長領域です。

太陽が電磁波によって地球にエネルギーを伝達地球の技術に影響を与えることは、昔から知られていました。 1850年黒点の平均的な数に関連して、地球コンパスの針が漂流することが知られていましたが、なぜそのようにされるかの説明はついていませんでした。 当時の天文学者・数学者であったジョン・ハーシェルは、太陽が自分を帯びていることに違いないということ頭を悩ま電気と磁気の実験をした化学者・物理学者マイケルファラデーの「今まで想像したものとは比較できない大発見の直前にある」と伝えたそうです。 その発見は、正常に、今では、太陽が発する電磁波と地球との関係を研究の重要性はさらに高まっています。 ソーラー軌道は、太陽がどのように磁場を作って宇宙に伝えているか、そしてその変化の源について前例のないほど追加探査を実施しようとしています。

■太陽の磁場を作り出す源となっているのは何ですか?

太陽の内部構造を図解したもの。 太陽に見られる現象で左上にある「突起(Prominence)」左下の「フレア(Flare)」、右下の “コロナ質量放出(Coronal mass ejection)」「太陽風(Solar wind)」が表示されてています。 目に見える太陽の表面は、「広口(Photosphere)」であり、そこには「黒点(Sunspots)」や、水が沸騰のような形の「粒状斑(Granulation)」を見ることができます。鉱区の上空は、順番に、「彩層(Chromosphere)」「転移層(Transition region)」「コロナ(Corona)」と呼ばれ、他の一方で、太陽の内部は外部からの「対流層(Convective zone)」「放射層(Radiative zone)」「中心核( Core)」とされています。 Credit:ESA

太陽の磁場は、私たちが観測されるすべての太陽活動の原因となるのです。 太陽の表面に見える黒いシミのようなもの(黒点)の数は、11年周期で増減するが、そのような変化と太陽大気の行動も磁場がもとになっています。 また、この磁場は太陽系全体を囲んで電気を帯びたガス “プラズマ「満たされた」太陽圏」という泡のような構造を形成しています。プラズマは惑星に影響を与えてオーロラを作り、衛星などの干渉してくることです。しかし、太陽の磁場が最初にどこで作られているかどうかについては、まだ解明されていません。

ドイツマックスプランク太陽系研究所のディレクターで太陽光軌道の観測機器の一つ “Polarimetric and Helioseismic Imager(PHI)「主任研究者であるSami Solanki氏は「私たちは、太陽の内部に “発電機「このそれ磁場を作り出していると思います。地球の磁場を生み出す発電機のようなものです。しかし、太陽発電機がどのように機能しているかはまだ知られていません」と言います。 また、「発電機」(dynamo)は、英語の単語では、「発電機」を意味するが、太陽の場合、磁場を生み出す源でそう呼んでいます。 ソーラー軌道は、発電機の問題に取り組もうとしていますが、目に見えない太陽内部をどのように把握するか? 実はここがPHI活躍するポイントになりますが、その前に磁場を観測する方法に触れておきましょう。

PHIは “スペクトル線“として知られている特定の波長の光を観測する装置です。スペクトル線は、様々な波長のものがあるが、ここでは、太陽に含まれている鉄原子以内であることを指します。 そこに磁場が存在する場合、鉄原子のスペクトル線がいくつかに分裂する現象を見ることができます。 これ物理学 “ゼーマン効果」と呼んでいます。 したがって、この分裂を観察することによって、磁場の強さを測定することが可能です。 スペクトル線の第二の特徴は、 “偏光された光“です。これもPHIによって測定することが偏光で磁場の方向(磁力線の方向)の情報を知ることができます。マックスプランク太陽系研究所のPHIチームのメンバーであるAchim Gandorfer氏は「私たちは、太陽から得ることができる光をすべて側面から分析する必要があります。 したがって、非常に複雑な光学系(鏡レンズなどで作る装置)が観測装置に入れています」と言います。

太陽内部に話を戻すとPHIは、太陽表面の「下」を報告することが可能です。 事実、太陽表面では常に上下運動が発生しています。 これは、太陽の表面で起こる対流や乱流によって振動が発生して、太陽の内部を伝わってきているということです。 地球の地震は、構造が異なるが、太陽(=日)で「地震」のようなものと把握し、これを使用して、太陽の内部構造を知る方法を “日震学「(日清がく)と呼んでいます。PHIは前例のない精度ロイ」地震波」を測定し、 “太陽の内部がどのような状態であれば、この波があるか?」をコンピュータモデルを使用して調べてみようします。

PHIが観測これらのデータは、磁場がどのように作られるのかという点で非常に重要になっています。 現在の理論は、太陽の磁場は、太陽内部の “タコクライン」という領域に起源を持つといわれています。太陽の内部は一通り内部の “コピー階「と外部の “対流層“に分かれており、タコクラインは、その境界線に対応します。太陽の表面から内部に30パーセント程度の深さの部分です。そこでは、太陽の自転の状態が大きく変わり、太陽内部のプラズマが大きくはぎとらのような力が発生します。その動きが磁場を作って、それが太陽の表面に出てくるということです。

■太陽の北極・南極で何が起こっているか

その後、太陽の表面に表示され、磁場はその後どうなるのでしょう? 磁場は、黒点の形で、太陽表面に見られますが、理論を考え、研究者たちが、コンピュータモデルを使用して研究した結果、太陽の赤道付近で北極・南極に向かうプラズマの流れが前黒点の “活動分野「(磁場が強い領域)で磁場を掃引いくと思います。また、北極・南極(要約極地といいます)の磁場は、太陽内部に沈んで行き、タコクラインプラズマの動きによって再び作られたものです。 また、黒点や活動領域が作成されていくでしょう。

しかし、現在では、北極地域での磁場分布に関する観測データは十分ではありません。 日本の太陽観測衛星「日野」など、他の衛星も極地を観測成果を上げていますが、北極・南極の「トップダウン」ではなく、地球付近の軌道から斜めに見ることができつぶれ見ることができるという欠点が避けられません。 ソーラー軌道はこのような状況を変え、2025年の終わりまでに軌道を傾け良いデータを取るために十分な角距離で観察することができるようになる見込みです。 「太陽の極は、未開の地です」とSami Solanki氏は言います。 「150年前、誰も北極・南極に行ったことがなかった地球のよう新たに学ぶことがたくさんあるでしょう」

ところが、太陽の磁場がどのように作られているかどうかを調査するとともに、太陽光軌道は磁場が太陽から宇宙空間に到達太陽圏を作成する方法について前例のない調査をしようとします。

■太陽コロナを加熱することは何ですか?

ソーラー軌道による最初の観測結果の一つ。 小さな光があちこちにあり、太陽フレアの小型版である「キャンプファイヤー」が発生していることを示しています。 Credit:ESA

宇宙に飛び出し前太陽の大気に注目してみよう。 太陽の磁場は宇宙に広がっていく」太陽風」というプラズマの流れが太陽圏を作り出しています。このソースは、太陽の大気である “コロナ“です。ここでは、太陽からの最大の謎の一つがあります。それは”コロナはなぜそう熱いか?」ということです。太陽大気が希薄ガスであるが、その温度は100万回程度です。しかし、太陽の表面は5500回程度コロナに比べると「冷たい」ものの上に熱いものが乗っており、しかもそれが維持されている状態です。これは1940年代から、根本的な疑問があります。太陽光軌道のプロジェクト科学者であるDanielMüller氏の言葉通り「太陽のコロナが非常に熱いという事実は全く直感的」です。

そして数十年の間に、この問題を解決するための多くの仮説が発表されました。 ソーラー軌道は、そのようなアイデアのどれが正解かを知るために役立つことが期待されています。 仮説のほとんどは、太陽の磁場のエネルギー放出を熱源としています。 スイスの大学に所属し、太陽光軌道のX線観測装置」X-Ray分光器/望遠鏡(STIX)「主任研究者であるSämKrucker氏は「(コロナの)粒子のエネルギーに比べて磁場が持つエネルギーは、約100倍大きい。 もし磁場のエネルギーを少し解放した場合、多くの粒子を加熱することができます。 それは私たちが理解しようとしているのです」と言います。STIXは磁気エネルギーを最も大きく放出する現象である “太陽フレア“を観測します。太陽フレアは、数十億トンの粒子を惑星間空間に放出”コロナ質量放出“を引き起こす可能性があります。

その他の観測装置は、より小さなエネルギー放出現象を探しているが、コロナ加熱を意味逆にこちらが重要になるかもしれません。 大きなフレアはそれほど多くのエネルギーを放出が発生頻度は少なく、逆に小さいのは、エネルギーも子供たち継続的に発生しており、コロナ加熱のもとに思われるかもしれないからです。 実際にソーラーオービター」極紫外線イメージャ(EUI)「太陽の道半ばで発見された最初の画像は、 “キャンプファイヤー」と呼ばれる小型のバージョンの太陽フレアがあちこちで発生していることが明らかになりました。

「太陽コロナが多数の小さなフレアに加熱されるかもしれないという考えは、米国の著名な物理学者Eugene Parker(ユージン・パーカー)によって既に1980年代に提唱されていた」とDanielMüller氏は述べています。 「結論はまだ早いは明らかだが、Parker氏が正しかったのヒントソーラー軌道は発見したのかもしれません」

■何が太陽風を加速しているか

2020年6月21日可視光線で観測された太陽コロナ。 類似色で着色太陽に比べて暗いコロナを観測するために、太陽の部分は隠し観測しています。 Credit:ESA

コロナ加熱に関連した謎の一つが “太陽風の加速“です。太陽風は、太陽から噴出する電気を帯びた粒子の流れで全方位に正常に吹き出しているのです。粒子の速度は、毎秒300から800キロまで到達するが、どのよう加速されているのかは完全に知られていません。ロンドンの大学に所属ソーラー軌道装置 “磁力計(MAG)「主任研究者であるTim Horbury氏は、「これは私にとって大きな疑問です」と言います。

太陽コロナは非常に高温であり、宇宙空間に自然に広がっていくため、単純にその粒子が太陽風になっていくように思われるかもしれませんが、実はその後「十分加速することができない」(Tim Horburyさん)です。 他の方法を考える必要があります。 太陽風がどのように加速されるかについても、様々な理論が提唱されていますが、太陽光軌道謎を解明するために、太陽風の構成を詳細に調査しようとしています。 ソーラー軌道は地球よりも太陽に近づいところで観測をするため、太陽風は、バルーンちょうどその時どのような成分だったのを確認することができます。

「太陽風は、さまざまな速度のものがあり、そのときの磁場の構造にも大きな変化があります」とTim Horbury氏は言います。 現象を適切に説明することができる理論は、その複雑さを説明することができなければなりません。 難しい注文だが、太陽光軌道面の謎を解明する際にTim Horbury氏は考えています。 「私の考えでは、太陽風の速度は答えを出さなければ大きな問題です。私たちは、必ずその問題に答えを出しています」

■私たちがアクセスできる唯一の星

太陽内部で太陽表面コロナ太陽風を見てきたが、太陽光の軌道の科学は太陽だけでなく、宇宙にも応用していくことができます。磁場による作用と粒子の加速は、宇宙のあちこちでも、様々なスケールで見ることができます。太陽の周りの磁場を研究して、星の誕生とブラックホールに吸い込まれていく物質の行動など、宇宙のさまざまな側面についての知識を応用していくことができるのです。

ソーラー軌道部プロジェクトの科学者であるYannis Zouganelis氏にこの点は大きな魅力ポイントとなっています。 「太陽は非常によくある一つの星が、私は太陽物理学を研究している理由は、私たちがクローズアップ探査することができる唯一の星であるからです。太陽光軌道によって、私たちは本当に太陽の近くに待機属性をその場で測定することがすることができます。私にとっては、これは常に宇宙プラズマ物理学を研究する方法であり、宇宙全体で様々な現象に適用することができます。太陽に使用する物理方程式を超新星爆発のような爆発する星や他のプラズマが流出される環境にも適用することができることは、非常にユニークなものです。」と彼は言う。 「そして、その現象がどのようになっているかどうかを理解する唯一の方法は、可能な太陽に近づくでしょう。」

このミッションの名前は太陽の軌道が、太陽光の軌道が言う科学の謎は天文学のすべての場所に影響を及ぼして、宇宙で起こる様々な現象に共通する重要なプロセスの理解を大きく進めみなさます。 ESAによると、そこまで踏み込めるミッションはあまり多くなく、ぜひ今後の成果にも期待したいところです。

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画像クレジット:ESA
出典: その
文/北越康敬

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Omori Yoshiaki

ミュージックホリック。フードエバンジェリスト。学生。認定エクスプローラー。受賞歴のあるウェブエキスパート。」

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