Published: 2023-03-14 11:44

“大発見”の可能性：「太陽風」のエネルギー源は、微小な噴出活動だった？

太陽から時速100万マイル（約450km/秒）で吹き出し、宇宙空間を流れる電子や陽子、イオンの猛烈なプラズマである「太陽風」。何十年も前から謎に包まれている現象だ。

【画像ギャラリー】探査機が捉えた太陽のさまざまな姿

かつて太陽風は火星の大気を奪ったと認識されており、月に氷をもたらしたという説もある。現在は、きらめくオーロラを発生させ、衛星通信システムを混乱させる原因にもなっている。しかし、太陽風がどのようにしてつくられ、数百万度の温度にまで達し、太陽系全体に届くほど加速するのか、研究者はまだ解明できていない。

その謎を最近になって、ある研究チームが解き明かしたという。太陽風の源は、太陽の上層大気であるコロナの底部で断続的に発生している微小な噴出活動（jetlet）だというのだ。

学術誌『The Astrophysical Journal』に発表されたばかりのこの理論は、18年から太陽への接近飛行を繰り返している米航空宇宙局（NASA）の自動車サイズの探査機「パーカー・ソーラー・プローブ」が撮影したデータから浮かび上がった。パーカー・ソーラー・プローブは、太陽風の特性を測定し、太陽の表面から約1,300マイル（約2,100km）上空にあるコロナの最外周部における熱とエネルギーの流れをたどっている。

この微小な噴出活動は遍在し、太陽風の質量とエネルギーを説明できるほど強力である可能性が、ほかの探査機や地上の望遠鏡から得られたデータから示されている。これは研究チームの理論を裏付けるものだ。太陽風の源を明らかにすることで、科学者は星の仕組みをより深く理解し、突風のようなプラズマの流れが地球上の生命にどのような影響を与えるのかを予測できる。

この仮説の証明には、より高い解像度のデータが必要になるが、これまで示されている証拠は興味をそそるものだ。

ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所の宇宙物理学者で今回の研究を率いたヌール・ラウアフィは、「わたしたちは早い段階から、何か重要な発見につながるのではないかと感じていました」と語る。「太陽風という60年来の謎を解き明かせるかもしれないと考えていたのです。そして、わたしはそう信じています」

太陽風の存在は、パーカー・ソーラー・プローブの名前の由来にもなった太陽物理学者の故ユージン・パーカーによって初めて提案され、1960年代初頭にNASAによって確認された。それ以来、科学者たちは、プラズマがなぜこれほど速く、これほど遠くまで移動できるのかという問題に頭を抱えてきた。太陽のコロナはいずれの温度目盛でも数百万度という高温だが、太陽風をこれほどの速度で押し出すほどは高温ではない。

一方、この微小な噴出は2014年まで発見されていなかった。ラウアフィが率いる研究で、噴出の源が太陽コロナのプルーム（太陽極域で磁気を帯びたプラズマが噴き出す逆円錐形の明るい構造）であることが明らかになっている。

プルームの根元をよく観察すると、激しく揺れ動く太陽の表面で磁場の極性が反発し合うふたつの領域が強制的に結び付けられ、その結合が弾けると微小な噴出が発生することがわかった。しかし、この論文の発表後にラウアフィは別のプロジェクトに移ってしまった。「その研究は基本的に、そのまま放置してしまったのです」と、ラウアフィは言う。

そして19年にラウアフィがパーカー・ソーラー・プローブのプロジェクト・サイエンティストとして働いていたとき、探査機が奇妙な現象を確認した。太陽のコロナ上部を通過する際に飛行中の磁場の向きが反転し、その後もう一度反転して元に戻る現象が頻繁に観測されたのだ。

ラウアフィは、太陽の大気圏下で起きたこの断続的な太陽磁場の反転現象である「スイッチバック」の原因を探るために、研究チームを結成した。ラウアフィは、すぐに微小な噴出活動のことを思い浮かべた。もし、この微小な噴出がプルームだけでなくコロナのほかの場所でも見つかれば、太陽風そのものになるほどの物質とパワーを生み出すだけの十分な数が存在するのではないかと考えたのである。

ところが、パーカー・ソーラー・プローブが採取できるのは太陽コロナの最上部だけである。あまり近づきすぎると溶けてしまうからだ。それに遠隔からの探査ほど、太陽の奥深く、コロナ底部に近いところを観測することができる。

そこで研究チームは、NASAの太陽観測衛星「ソーラー・ダイナミクス・オブザーバトリー」と、地球を周回する超高高度気象衛星に搭載された「太陽紫外線撮像器（SUVI）」によるコロナ下部の高解像度画像を分析した。コロラド州ボルダーにあるサウスウエスト研究所の太陽物理学者で今回の論文の共著者であるクレイグ・デフォレストは、「案の定、太陽風の源を示す決定的な証拠を発見しました」と語る。

観測データから、微小な噴出はいたるところに発生していることがわかった。しかも、研究チームが検索した2010年のデータまでさかのぼって、微小な噴出活動の存在を確認することができたのである。

太陽フレアやコロナ質量の放出は11年周期で変動するが、微小な噴出活動の存在には変動がなかった。この微小な噴出は、太陽風と同じようにプラズマを宇宙空間に放出し続ける安定した現象のようなのだ。

研究チームは、この微小な噴出が太陽風を説明するだけの十分なパワーをもっていて十分に広く蔓延していることを証明するために、大まかな計算を実施した。すると、ひとつの噴出につき最大1,035個の陽子が放出され、太陽は太陽風によって毎秒約6×1,035個の陽子を失う。つまり、太陽風を起こすには1秒間に6個、1日に約50万個の微小な噴出活動が必要になるということだ。

この数値を研究チームは、微小な噴出が発生しそうな場所を示す太陽の表面のマップと比較した。このマップはカリフォルニア州のビッグベア太陽天文台で撮影されたもので、磁場の極性の変化を高い精度で示している。負極は暗く、正極は明るく、白と黒がまだらに入り混じった画像だ。

そこから研究チームは、太陽風の発生に必要な数の噴出を起こす可能性のある両極が隣接する部分が、十分に存在すると結論づけた。「まだ合理的疑いが及ばない程度の証明はできていません」と、サウスウエスト研究所のデフォレストは言う。「しかし、これは大きな前進です」

デフォレストによると、太陽風は地球環境と切り離せない要素であることから、太陽風について学ぶことは重要である。「太陽物理学は宇宙物理学のなかで唯一、地球上で実際に応用できる分野なのです」と、デフォレストは言う。

太陽風は、潜在的に有害な宇宙線からわたしたちを守っている地球の磁場を乱す。また、GPS衛星などの人工衛星の軌道や運用に影響を与える宇宙天気も引き起こす。そして太陽風の仕組みを理解することは、古い恒星ほど速度が遅くなる仕組みや、それがその恒星を周回する惑星の大気に与える影響を解明し、結果としてその惑星の居住可能性の増減を解明することにもつながるのだ。

断続的な爆発が安定したプラズマの流れを生み出すという理論は、太陽風の源が単一の連続したものでなければならないという理論に疑問を投げかけるものだ。しかし、ありえないことではない。

かつて太陽物理学者のパーカーは、このようなものが太陽風の原動力になるという仮説を立てた。パーカーはそれを「ナノフレア」と呼んでいたのだ。またサウスウエスト研究所のデフォレストは、多くの小さな爆発が集合してひとつの滑らかな流れのように作用することがあると指摘する。

「クルマを運転すると滑らかな推進力を感じますよね」と、デフォレストは言う。「でも実際には、クルマのガソリンエンジンの内部では何十億もの小さな爆発が起きているのです」

モンタナ州立大学の太陽物理学者のチャールズ・カンケルボーグは、これは妥当な理論だと考えている。しかし、この考え方自体には驚いているという。ほかの太陽の小規模現象で生じるような微小爆発では、これまで太陽の大気のエネルギーに有意義に寄与することが示されたことはなかったからだ。

「このような微小な噴出がわたしたちが知っているような太陽風の単一源である可能性があると、この論文で示唆されたことに驚愕しました」と、この研究に関与していないカンケルボーグは言う。こうした微小な噴出活動だけで太陽風のエネルギーを供給できると考えるにはもっと多くのデータが必要だが、検討する価値のある興味深いアイデアだとカンケルボーグは感じている。

まさにそうした問題に、ジョンズ・ホプキンス大学のラウアフィたちは取り組んでいる。より高解像度のデータからは、噴出の速度を過小評価していたことがすでに判明している。つまり、こうした噴出活動は当初割り当てたよりも多くのエネルギーをもっているのだ。

「これは非常にいい兆候です。わたしたちが必要としていることです」と、ラウアフィは言う。ラウアフィはふたつの追跡調査を進めており、今夏には発表したいと考えている。なかには、ソーラー・ダイナミクス・オブザーバトリーの観測データ、欧州宇宙機関（ESA）の「ソーラー・オービター」から得た新しいデータ、ビッグベア太陽天文台の3倍の磁場解像度をもつハワイのダニエル・K・イノウエ太陽望遠鏡による磁場情報などが含まれることになる。

将来的には、このデータをパーカー・ソーラー・プローブによる直接観測や、NASAの次期ミッション「PUNCH」による太陽風の全球観測と結びつけることで、太陽風の性質についてより正確な情報を得られるだろう。PUNCHミッションの主任研究員であるデフォレストは、「（遠隔撮像と発生源での測定という）ふたつのツールを組み合わせることで、太陽系全体を統合的に把握することができるでしょう」と語っている。

ラウアフィの研究チームは、大発見まであと一歩だと確信している。「ユージン・パーカーがいまも生きていたらと思います」と、ラウアフィは言う。「ある意味、わたしたちがパーカーの理論を裏付けようとしていることを、彼も喜んでくれたと思います」