人類の探査機が太陽にこれほど近づいたのは初めてです。なぜ溶けなかったのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: Chuando Space (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国の先端技術プロジェクトは、認識の限界を広げるために、「未知の領域」と題する一連の記事を立ち上げ、深宇宙、深地球、深海などの分野で限界を突破した探査結果を概観しています。科学的発見の旅に出て、驚くべき世界を知りましょう。

NASAによると、パーカー・ソーラー・プローブは最近、太陽の表面からわずか380万マイル（610万キロメートル）の高度を飛行し、時速69万2000キロメートルの速度で太陽の外層大気を通過した。人工物が太陽にこれほど近い領域に接近したのはこれが初めてであり、その移動速度は他のどの人工物よりも速い。

NASAのデータによると、この記録の2位は1976年4月に太陽表面から約4300万キロの距離まで飛行した太陽探査機ヘリオス2号だ。パーカー太陽探査機の今回の太陽への大接近は、これまでの探査機よりも太陽表面に近づいたことが分かる。

上部に熱シールドを備えたパーカー太陽探査機の外観。

(画像提供: NASA)

では、610万キロメートルは何を意味するのでしょうか?数字のセットを見てみましょう。太陽自体のパラメータと比較すると、太陽の半径は約70万キロメートルであり、パーカー・ソーラー・プローブは半径の約8.7倍に到達したことになります。この位置は太陽の大気の最外層、つまり数百万キロメートル以上の厚さがあるコロナにあります。太陽系の惑星と比較すると、水星は太陽からおよそ5,800万キロメートル離れており、太陽に最も近い惑星です。 610万キロメートルは水星と太陽の間の距離の10分の1に近い。

太陽コロナに突入するパーカー太陽探査機の想像図。

(画像提供: NASA)

なぜ太陽にこれほど近いところで研究を行うのでしょうか?

私たちは太陽を研究します。最初の原動力は、太陽が太陽系内の唯一の恒星であるということです。太陽がなければ、今日私たちが知っているような生命体は地球の表面に存在することができず、人類の文明も出現できなかったでしょう。

同時に、太陽の日々の行動は人類の文明に直接影響を及ぼします。ほんの小さな変化でも地球上の生命に影響を及ぼす可能性があります。私たちがよく知っている恒星の周囲の生命居住可能領域（地球は太陽系の生命居住可能領域内に位置しています）は、恒星からの距離や恒星の種類など、複数のパラメータによって決まります。北回帰線と南回帰線の間の太陽光の直進点の動きがわずかに変化しただけでも、地球上の四季の変化に影響を与える可能性があります。恒星が周囲の惑星に与える影響は明らかです。

太陽の表面から放出されたXクラスフレアの画像。右側の非常に明るいフラッシュはフレアリリースです

(画像提供: NASA)

我が国の国家宇宙天気監視早期警報センターは、2024年5月6日に太陽がマグニチュードX4.5の強力なフレアを噴出し、日常生活で頼りにしているナビゲーションシステム、通信システム、電力供給施設、石油パイプライン、航空宇宙活動などにさまざまな程度の影響を及ぼすと予測しました。コロナ質量放出が地球付近に到達すると、磁気嵐が発生することもあります。

太陽の挙動を理解することは、特に軌道上で作業し生活する宇宙飛行士にとって、これらの極端な宇宙気象現象を回避するのに大いに役立つでしょう。長期的には、地球から火星への旅行など、人類が惑星間空間に入るときには、太陽活動のダイナミクスも理解する必要があります。そうしないと、宇宙飛行士の命が危険にさらされる可能性があります。

太陽自体の多くの未解決の謎の観点から、科学者たちはコロナの異常な高温に半世紀近くも困惑してきた。コロナ領域は太陽の表面から遠いため、温度は低くなるはずです。しかし、そうではありません。コロナの温度は数百万度に達することもあり、これは太陽の表面温度（太陽の表面はわずか 5,500 度）よりも高くなります。この二つは大きな対照をなしています。太陽コロナでフレアが発生すると、通常よりも多くのエネルギーが放出され、最終的には地球の大気圏と接触し、電力網や衛星通信などに大きな影響を与えます。

これは、2017 年 8 月の皆既日食の際に撮影された太陽コロナとその周囲の拡張ジェットです。

(画像出典: WIKI)

これらの疑問の答えを見つけるには、探査機が太陽コロナの近傍深くまで到達し、この領域を流れる粒子を検出し、コロナ領域の宇宙環境を調査し、これらのエネルギーの流れを駆動するメカニズムを発見する必要があります。このため、パーカー探査機はファラデーカップを搭載している。これは太陽風のイオンと電子の流束と流れの角度を測定するためのセンサーである。真空中の荷電粒子を捕捉し、他の装置と組み合わせることで、荷電粒子の速度、密度、温度を測定することができ、コロナ領域の基礎的な状態を把握することができます。

パーカー探査機は電磁場調査装置や広域撮影装置なども搭載しており、探査機が螺旋コロナに到達した際にはさまざまな科学研究プロジェクトを実施する予定だ。太陽コロナ領域に近づくために、パーカー探査機は金星の重力を何度も利用した。太陽の周りを24回周回する間に、太陽との距離を徐々に縮めていき、最終的に太陽表面に最も近い軌道位置に到達しました。

パーカー探査機は金星の重力を利用して太陽の周りを周回する軌道に加速する

(画像提供: NASA)

コロナ、太陽フレア、太陽嵐、太陽風とは何ですか?

パーカー探査機は太陽表面から610万キロの距離に接近した。この領域は太陽の最も外側の大気構造である太陽コロナに属します。それは太陽を取り囲み、太陽の表面から数百万キロメートル上空まで広がる、高温でプラズマに満ちた領域です。皆既日食の間はコロナグラフを通して観察できますが、コロナは必ずしも太陽の表面に均等に分布しているわけではありません。太陽活動の静穏期には主に太陽の赤道付近に現れ、活発期には赤道や極域に現れることがあります。

太陽フレアは太陽コロナと密接な関係があります。太陽フレアは、太陽の黒点付近の強い磁場の領域を取り囲む太陽の円盤または端で観測される突然の閃光です。フレアが発生すると、コロナに蓄えられた磁場エネルギーが解放され、大量の粒子を運ぶことができる太陽風が形成されます。それが地球に向けられた場合、地球の電離層に衝突し、オーロラを引き起こします。フレアはA、B、C、M、Xの5つのレベルに分かれています。レベルXは最高レベルであり、そのエネルギーは数十億個以上の水素爆弾の爆発によって生み出されるエネルギーに相当します。太陽嵐は、太陽フレアの噴出、コロナ質量放出イベントなど、上記のイベントの組み合わせを指します。

地球に衝突する太陽風の想像図。

(画像出典: WIKI)

太陽の活動はドミノ効果の特徴を持っていることがわかります。コロナ質量放出は通常、太陽フレアなどの他の形態の太陽活動に関連しており、太陽内部でのエネルギー移動を伴う可能性が高い。接続メカニズムについては、さらに研究が必要です。これがパーカー探査機がコロナに近づいた理由の一つです。科学者たちは、探査機のミッションの観点から、パーカー探査機から送られてきたデータを通じて、コロナの加熱メカニズム、加速された太陽風エネルギーの流れの源、太陽風源領域の磁場の変化法則、コロナで観測された構造が太陽風に進化する仕組み、高エネルギー粒子がコロナと他の太陽大気構造の間でどのように伝達されるかを明らかにしようとしている。

探査機が太陽に近づくためには、どのような防御策を講じる必要がありますか?

コロナの温度は非常に高いため、探査機がこの領域を通過するには、まず十分に効果的な熱保護対策を講じる必要があります。研究を通じて、科学者たちは、探査機が太陽の周りのコロナ領域を通過するとき、熱シールドの表面温度は摂氏約1400度までしか加熱されないことを発見した。このため、科学者らは探査機の前端に設置する厚さ11.43センチの炭素複合材料保護シールドを設計した。このシールドは最高1650度の温度に耐えられる。高温の影響を受けないように、ほとんどの機器や装置は保護シールドの後ろに隠されています。

科学者たちは、防護シールドの背後の周囲温度はわずか30℃程度であると計算しており、これにより機器や装置がコロナの高温の影響から保護される。カーボン複合シールドは、カーボン複合フォームとカーボンプレートから作られており、できるだけ多くの熱を反射するために白いセラミック塗料で塗装されています。

パーカープローブの熱シールド

(画像提供: NASA)

ここで、コロナの温度が何百万度もあるのに、検出器シールドが耐えられるのは 1400 度程度で済むのはなぜかと疑問に思う人もいるかもしれません。これは少し矛盾していませんか?

これには熱と温度の概念が関係します。宇宙では温度は摂氏数千度に達することもありますが、物体に与える熱はそれほど多くありません。温度は粒子が移動する速度の測定値に基づいており、熱はこれらの粒子によって伝達される総エネルギーの測定値に基づいています。したがって、高温は粒子が非常に速く動いている可能性があることを意味しますが、粒子の数が少ない場合は、伝達されるエネルギーがあまりないため、熱は低くなります。宇宙の大部分は真空であるため、検出器の保護シールドの前端にエネルギーを伝達できる粒子はごくわずかです。パーカー検出器が数百万度の温度のコロナ領域を通過するとき、温度は非常に高いにもかかわらず、粒子密度は非常に低くなります。科学者たちは、熱シールドの前端は約1400℃に耐えるだけでよいと計算した。耐熱温度は摂氏1400度程度でよいのですが、それでも人工素材としては非常に高い耐熱温度です。それに比べて、火山の噴火による溶岩の温度はわずかに低くなります。

太陽コロナを通過するパーカー宇宙望遠鏡の想像図。

(画像提供: NASA)

十分な太陽風粒子を捕らえるために、粒子を集めるファラデーカップは熱シールドの後ろに隠れてはいけません。そうしないと粒子が集められなくなってしまいます。科学者たちはチタン・ジルコニウム・モリブデン合金を使用してファラデーカップを製造した。この合金はさらなる温度上昇にも耐えることができ、コロナ領域の強い放射線環境に直接さらされることが可能だ。このことから、宇宙探査の基礎の一つは材料科学であることがわかります。コロナ領域の極限環境に耐えられる材料ができれば、この空間に入り、科学研究を行うことができます。この経路は、強い放射線と極寒の環境を持つエウロパや、大気圧が地球の約100倍になる金星の表面など、太陽系の他の天体にも当てはまります。

参考文献:

1. 私たちの太陽：事実

2. 太陽へ向かう：パーカー太陽探査機が溶けない理由

3. さらに深く: パーカー太陽探査機

4. パーカー太陽探査機が史上最接近して太陽に到達

5. Wikipedia: 太陽フレア

6. 太陽フレアに関して、皆さんの懸念は一気に解消されるでしょう