ソーラーオービターミッションで「遅い」太陽風の謎が解明

科学者たちは、ソーラー・オービター宇宙船が太陽に初めて接近した際に収集したデータを使い、「ゆっくりとした」太陽風の謎の起源の特定に一歩近づいた。

秒速数百キロメートルで移動する太陽風は長年科学者を魅了しており、2011年に発表された新しい研究は 自然天文学、それがどのように形成されるのかがようやく明らかになりつつあります。

太陽風は、太陽から宇宙空間へ放出される荷電プラズマ粒子の連続的な流れを指します。風速が秒速 500 km を超える場合は「高速」、秒速 500 km 未満の場合は「低速」と呼ばれます。

この風が地球の大気圏にぶつかると、オーロラとして知られる美しいオーロラが出現します。しかし、大量のプラズマがコロナ質量放出の形で放出されると、衛星や通信システムに重大な損害を与えるなど、危険を伴うこともあります。

数十年にわたる観測にもかかわらず、太陽風プラズマを太陽から太陽系内に放出、加速、輸送する発生源とメカニズム、特に低速太陽風については十分に理解されていません。

2020年、欧州宇宙機関（ESA）はNASAの支援を受けて、ソーラー・オービター・ミッションを開始しました。このミッションの主な目的の1つは、太陽にこれまでで最も近く、最も詳細な画像を撮影することに加え、太陽風を測定し、太陽表面の発生源まで遡って関連付けることです。

「太陽に送られた最も複雑な科学実験室」と評されるソーラー・オービターには、10 種類の異なる科学機器が搭載されています。その中には、宇宙船を通過する太陽風のサンプルをその場で収集して分析する機器や、太陽表面の活動の高画質画像を撮影するように設計されたリモートセンシング機器などがあります。

写真と機器のデータを組み合わせることで、科学者たちは初めて、ゆっくりとした太陽風の発生源をより明確に特定することができました。これにより、太陽風が太陽を離れ、太陽圏（太陽系を星間放射線から守る、太陽とその惑星の周りの巨大な泡）への旅を開始する方法を確立することができました。

この研究を率いたニューカッスル・アポン・タインのノーサンブリア大学のステフ・ヤードリー博士は、「太陽に近い宇宙船でその場で測定された太陽風の流れの変動は、その発生源に関する多くの情報を与えてくれます。過去の研究でも太陽風の起源をたどったことはありましたが、これは地球にずっと近いところで行われたため、その時点でこの変動は失われています」と説明しています。

「ソーラー・オービターは太陽に非常に近いところを移動するため、太陽風の複雑な性質を捉え、その起源と、この複雑さがさまざまな発生源領域の変化によってどのように引き起こされるかについて、より明確な画像を得ることができます。」

速い太陽風と遅い太陽風の速度の違いは、太陽のコロナ（大気の最外層）の異なる領域から発生するためだと考えられています。

開いたコロナとは、磁力線が片側のみ太陽に固定され、もう片側は宇宙に伸びて、太陽の物質が宇宙に逃げる高速道路を形成する領域を指します。これらの領域はより低温で、高速太陽風の発生源であると考えられています。

一方、閉じたコロナは、太陽の磁力線が閉じている領域、つまり両端が太陽表面につながっている領域を指します。これらは、磁気的に活発な領域上に形成される大きな明るいループとして見ることができます。

時折、これらの閉じた磁気ループが壊れ、開いた磁力線を通過するのと同じように、太陽の物質が逃げる短い機会が与えられ、その後、再び接続して閉じたループを形成します。これは通常、開いたコロナと閉じたコロナが出会う領域で発生します。

ソーラー・オービターの目的の 1 つは、ゆっくりとした太陽風が閉じたコロナから発生し、磁力線が破壊されて再結合するプロセスを通じて宇宙空間に逃げることができるという理論を検証することです。

科学チームがこの理論を検証できた方法の一つは、太陽風の流れの「組成」または構成を測定することだった。

太陽の物質に含まれる重イオンの組み合わせは、その発生源（高温で閉じたコロナと低温で開いたコロナ）によって異なります。

研究チームは、ソーラー・オービターに搭載された機器を使用して、太陽の表面で起こっている活動を分析し、それを宇宙船が収集した太陽風の流れと照合することができた。

ソーラー・オービターが撮影した太陽表面の画像を使用して、研究者らは、低速風の流れが開いたコロナと閉じたコロナが出会う場所から来ていることを正確に特定し、低速風は破壊と再結合のプロセスを通じて閉じた磁力線から逃れることができるという理論を証明した。

ノーサンブリア大学の太陽・宇宙物理学研究グループのヤードリー博士は、「ソーラー・オービターで測定された太陽風の変化する組成は、コロナ内の発生源全体の組成の変化と一致していました」と説明しています。

「重イオンと電子の組成の変化は、変動がさまざまな発生源領域によって引き起こされているだけでなく、コロナ内の閉ループと開ループの間で発生する再結合プロセスによるものであるという強力な証拠を提供します。」

ESA ソーラー・オービター・ミッションは、世界中の科学者や研究機関が協力し、専門的な技術や機器を提供する国際協力です。

ESAのソーラー・オービタープロジェクト科学者ダニエル・ミュラー氏は、「当初から、ソーラー・オービターミッションの中心的な目標は、太陽の動的現象と、それが太陽圏の周囲のプラズマバブルに与える影響を結び付けることでした。」と語った。

「これを達成するには、太陽の遠隔観測と、宇宙船の周囲を流れる太陽風の現地測定を組み合わせる必要があります。これらの複雑な測定を成功させたチーム全体を非常に誇りに思います。」

「この結果は、ソーラー・オービターが太陽風と太陽表面のその発生源領域との間に強固な関係を確立できることを裏付けるものです。これがこのミッションの主要目的であり、太陽風の起源をこれまでにない詳細さで研究する道を開くものです。」

ソーラー・オービターに搭載されている機器の中には、ミシガン大学気候・宇宙科学工学部の宇宙物理研究室の研究者やエンジニアが開発した重イオンセンサー（HIS）があります。このセンサーは太陽風の重イオンを測定するように設計されており、太陽風の発生源を特定するために使用できます。

「太陽の各領域には、独自の重イオンの組み合わせがあり、それが太陽風の流れの化学組成を決定します。

「太陽風の化学組成は太陽系内を移動しても一定のままなので、これらのイオンを指紋として利用して、太陽の大気圏下層部における太陽風の特定の流れの起源を特定できる」と、ミシガン大学の気候・宇宙科学・工学教授で、重イオンセンサーの副主任研究員であるスーザン・レプリ氏は述べた。

太陽風中の電子は、ヤードリー博士が名誉研究員を務めるロンドン大学ロンドン校のムラード宇宙科学研究所が開発した電子分析システム（EAS）によって測定されます。

ロンドン大学カレッジ・ロンドン校のクリストファー・オーウェン教授は、「機器チームは、打ち上げに向けてセンサーの設計、構築、準備、そしてそれらを協調的に運用する最善の方法の計画に10年以上を費やしました。そのため、太陽のどの領域がゆっくりとした太陽風とその変動を引き起こしているかを明らかにするためにデータがまとめられているのを見るのは非常に満足のいくことです」と語った。

風速を測定するプロトン アルファ センサー (PAS) は、フランスのトゥールーズにあるポール サバティエ大学の天体物理学および惑星科学研究所によって設計および開発されました。

これらの機器は、ソーラー・オービターに搭載された太陽風分析センサー・スイートを構成しており、UCL のオーウェン教授が主任研究員を務めています。

今後の研究計画について、ヤードリー博士は次のように語っています。「これまで、私たちはこの特定の期間について、ソーラー・オービターのデータをこの方法で分析しただけです。ソーラー・オービターを使用した他の事例を調べたり、NASA のパーカー・ソーラー・プローブなどの他の近距離ミッションのデータと比較したりすることは、非常に興味深いことです。」