太陽風の加速と加熱の謎が解明

ご存知のように、太陽風は太陽コロナ（太陽の大気）から発せられ、宇宙空間のあらゆる方向に流れて地球に到達する荷電粒子の一定の流れです。そこでこれらの粒子が大気と衝突することで、南極や北極のオーロラなどの印象的な現象が発生します。

この風の最も速い部分は高速太陽風と呼ばれ、毎秒 500 km、つまり時速 180 万 km を超える速度で移動します。しかし、太陽風はそのような速度で太陽から離れるわけではありません。むしろ、それよりずっとゆっくりと離れ、前進するにつれて「何か」がそれを加速します。確かに「何か」ですが、それは何でしょうか?

同時に、太陽から約 100 万度の温度で吹き出す風は、空間の容積がどんどん拡大するにつれて冷却されますが、その速度は予想よりもはるかに遅いため、説明がつきません。では、風を加速して加熱するために必要なエネルギーは、何から得られるのでしょうか。

磁場の振動

2つの探査機から得られたデータを組み合わせることで、その答えはアルヴェン波として知られる太陽の磁場の大規模な振動にあるという決定的な証拠が初めて得られた。

「この研究以前にも、アルヴェーン波はエネルギー源になる可能性があると示唆されていたが、決定的な証拠はなかった」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの研究者で、論文の共同筆頭著者であるイェイミー・リベラ氏は説明する。

通常、地球上の空気のような一般的なガスでは、表現できる波の種類は音波だけです。しかし、太陽の大気のようにガスが異常な温度に加熱されると、状態が変化してプラズマになり、磁場に反応します。これにより、アルヴェン波と呼ばれる波が磁場内に形成されます。これらの波はエネルギーを蓄え、プラズマを通じて効率的に輸送することができます。

「通常の」ガスは、蓄積されたエネルギーを密度、温度、速度の形で表します。しかし、プラズマの場合は磁場もエネルギーを蓄えます。ソーラー オービターとパーカー ソーラー プローブの両方に、プラズマの特性と太陽磁場の特性の両方を測定するために必要な機器が搭載されています。

共同作業

2機の宇宙船は太陽から異なる距離で、また非常に異なる軌道で運用されているが、2022年2月には同じ太陽風の流れに沿って並んだ。

太陽から半径13.3倍（約900万キロ）離れた太陽コロナの外縁で活動するパーカーが、最初に太陽風の流れを横切った。太陽から半径128倍（8900万キロ）離れたもっと遠くで活動するソーラー・オービターは、その数日後に太陽風の流れを横切った。「この作業は、2機の探査機が軌道を組んでいたおかげで可能になりました。2機は、旅のさまざまな段階で同じ太陽風の流れをサンプリングしたのです」とイェイミ氏は言う。

こうして研究チームは、2 つの異なる場所での単一のプラズマ流の測定値を比較することができました。次のステップは、測定値を、波動エネルギー フラックスと呼ばれる磁場に蓄えられたエネルギーの測定値を含む 4 つの主要なエネルギー量に変換することでした。

エネルギーは生成されることも破壊されることもなく、ある形から別の形に変換されるので、研究チームはパーカーの測定値を、磁気エネルギーデータの有無にかかわらずソーラーオービターの測定値と比較した。

「パーカーの波動エネルギーフラックスを考慮しなければ、ソーラーオービターで得られるエネルギー量にはまったく遠く及ばないことがわかった」と、論文の共同筆頭著者でもあるサミュエル・バッドマン氏は言う。

パーカーが電流を測定した太陽の近くでは、全エネルギーの約 10% が磁場にあることがわかった。ソーラー オービターでは、この数字はわずか 1% にまで低下したが、プラズマの加速と冷却は予想よりもゆっくりとしたペースで進んだ。

数値を比較した結果、研究チームは、失われた磁気エネルギーがプラズマの加速を引き起こし、冷却を遅らせていると結論付けた。

データは、風の加速にとって「ジグザグ」と呼ばれる磁気構成の重要性も示している。ジグザグは太陽の磁力線の大きな偏りであり、アルヴェン波の非常に良い例である。ジグザグは1970年代の最初の太陽探査機以来観測されてきたが、パーカー太陽探査機が2021年に太陽コロナを通過した最初の宇宙船となり、ジグザグがパッチ状に合体することを発見して以来、その検出率は劇的に増加している。

この研究は、これらの領域に高速太陽風の加速と加熱を引き起こすのに十分なエネルギーが含まれていることを確認した。ESA のソーラー オービター プロジェクト サイエンティストであるダニエル ミュラー氏は、「この新しい研究は、太陽のパズルの重要なピースを巧みに組み合わせたものです。ソーラー オービター、パーカー ソーラー プローブ、その他のミッションによって収集されたデータの組み合わせにより、実際にはさまざまな太陽現象が連携してこの並外れた磁気環境を作り出していることがますます明らかになっています」と述べている。

しかし、バッドマン氏にとって、この研究は太陽系外でも非常に役立つ可能性がある。「太陽は、宇宙で風を直接測定できる唯一の星です。したがって、ここで学んだことは、少なくとも潜在的には、他の同様の星、そしておそらく太陽以外の、風を持つ他の種類の星にも当てはまるでしょう。」と彼は言う。

研究チームは現在、分析を拡大してより遅い太陽風にも適用し、太陽の磁場からのエネルギーも太陽風の加速と加熱に役割を果たしているかどうかを調べることに取り組んでいる。