星空の「炎」に出会う：太陽の謎を探る

制作：中国科学普及協会

著者: 雲超昊、沈金華 (中国科学院新疆天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

2024年5月、アルタイを題材にしたテレビシリーズがオンライン視聴率ランキングでトップになった。劇中のアルタイの美しさは自然です。カメラの下には、山、ジャングル、空、荒野がすべてユニークです。新疆の美しい風景の「絵葉書」の一つとして、アルタイの星空も独特で魅力的であり、次々に現れる「オーロラ」の饗宴は言葉では言い表せないほど美しい。

これは新疆ウイグル自治区アルタイ州富雲県で撮影されたオーロラです

（写真提供：新華社通信、戴建峰）

新疆ウイグル自治区アルタイにて戴建峰氏撮影

（写真提供：新華社通信）

美しい星空の「炎」 - オーロラ

オーロラは、太陽風プラズマと地球の磁気圏の相互作用によって発生する、地上で肉眼で見ることができる自然現象です。

オーロラの出現は太陽フレアと関係があり、太陽の大気の局所的な領域が突然明るくなる活発な現象です。太陽自体は巨大な「磁気球」です。フレアは、複雑な磁場構造を持つ活動領域で頻繁に発生します。フレア活動領域では、活動領域内の磁気エネルギーが蓄積し続けるため、磁力線が「ねじれる」ことになります。これらのねじれた磁力線は、締め付けられた輪ゴムのようなものです。再結合によりねじれた磁力線が切断されると、短時間で大量のエネルギーが放出されます。このとき、コロナ大気中のプラズマは急速に加熱・加速され、さまざまな帯域で電磁放射と粒子放出が増加します。この激しい爆発現象はフレアと呼ばれます。

太陽フレアが発生すると、大量のコロナプラズマが太陽と地球の間の空間に放出されることが多く、これを「コロナ質量放出」と呼びます。太陽は、その表面から周囲の空間に物質を絶えず放出しています。太陽活動サイクルのピーク時には、毎日 2 ～ 3 回のコロナ質量放出 (CME) が発生する可能性があります。これらのプラズマ物質は、毎秒数百から数千キロメートルの速度で移動します。地球に面したプラズマは地球の磁場の大きさと方向に乱れを引き起こし、「磁気嵐」やその他の極端な宇宙気象現象を引き起こします。オーロラは地磁気嵐の視覚的な現れです。

磁気嵐の際には、プラズマと磁気圏の相互作用により極域に注入される粒子の数が大幅に増加し、地球の磁場への注入緯度範囲も拡大するため、新疆など地球の中高緯度に位置する場所でもオーロラが見られるようになる。

太陽フレア

（写真提供：veerフォトギャラリー）

中国科学院新疆天文台は中国北西部唯一の総合天文台です。オーロラが広く世間の注目を集める中、新疆天文台の太陽グループのメンバーは最近、科学者としての責任を果たし、関連する科学的知識を一般の人々と共有することに非常に積極的である。実際、太陽活動は約11年の周期を持っています。太陽活動が最も活発な時期を「極大期」、最も活動が活発でない時期を「極小期」と呼びます。極大期には太陽黒点の数が増加し、フレアの発生頻度も増加します。逆に、極小期には太陽黒点の数とフレアの頻度はともに減少します。

2013年から2014年は太陽活動の極大期であり、2024年から2025年にかけて太陽活動は25回目の極大期を迎えると予想されています。 2024年は極大期の上昇期にあり、太陽フレアの発生が非常に多発します。下の写真は、2024年5月に発生した数十回の極端なフレア現象を示しています。この現象により地磁気嵐が発生し、新疆、北京などの地域で色鮮やかなオーロラが形成されました。太陽フレア爆発のエネルギーレベルは、小さい方からA、B、C、M、Xの5段階に分けられ、順にレベルが大きくなっていきます。

ほとんどの太陽フレアの寿命は数分から数十分程度で、短期間に大量のエネルギーが放出されます。たとえば、レベル XX1 のフレアによって瞬間的に放出されるエネルギーは、地球上の同じ受信領域が 1,000 年以上にわたって受信する総エネルギーに相当します。

今年5月の一部における太陽フレアエネルギーの観測結果

（画像出典：宇宙環境予測）

トラブルを防ぐために自分自身と敵を知る

地磁気嵐は世界中で通信障害、停電、衛星の故障を引き起こす可能性があり、その中で最も有名なのはカリントン・イベントです。 1859 年 9 月 1 日の朝、イギリスの天文学愛好家キャリントンが太陽黒点を観察していたところ、太陽の北側にある大きな黒点群の中に 2 つの非常に明るい白い光が突然現れ、その大きな黒点群の近くに 2 つの明るい三日月形の物体が形成されているのを発見しました。後に、キャリントンが見た現象は太陽フレアの爆発過程であったことが確認され、この出来事はキャリントン・イベントと呼ばれました。

フレアが噴出してから17時間半後、非常に強い磁場の影響で磁力計の指針が目盛りから飛び出しました。ほぼ同時期に、世界中の電信局の電信機の操作員らは、機械から火花が散り、電線が溶けたと報告した。その夜、空に広がった色鮮やかなオーロラは、キューバ、ハワイなど南の地域まで広がった。

オーロラ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

キャリントン・イベントは、極めて強力な太陽活動の爆発でした。同様の超強力な出来事は歴史上何度も起こっています。たとえば、1989 年 3 月の太陽嵐により、カナダのケベック州の配電網全体が機能しなくなりました。 2003 年 10 月 30 日の非常に強い太陽嵐により、2 つの衛星が故障し、世界中で通信と電力網が停止しました。

これを踏まえて、科学者たちは、太陽活動バーストの研究は、一方では太陽物理学の基礎研究の中核課題であり、他の恒星やプラズマ物理学を研究するための天然の実験室であり、将来のコロナ加熱問題の探究に役立つと考えています。一方、太陽活動を予測し、壊滅的な宇宙天気に対する効果的な早期警報を提供することもできます。

太陽表面と太陽フレアの概念図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

太陽研究について言いたいことがある

中国科学院新疆天文台は1980年代から南山天文台に太陽彩層望遠鏡、光球双眼望遠鏡、太陽電波望遠鏡などの設備を設置し、主に太陽フレア噴出の物理的メカニズムの研究や太陽活動の予報を行っている。

南山展望台からの眺め

（画像提供：中国科学院新疆天文台）

長年の発展を経て、新疆天文台太陽物理研究グループは2018年に正式に設立されました。設立後、グループは新疆天文台の科学研究センターの業務に重点を置き、科学技術の最高峰を掌握することを目指し、一連の研究成果を達成しました。

まず、太陽活動の爆発的増加による磁気エネルギーの放出中にフレアリングとコロナ磁気ループがどのように動的に進化するかが研究され（Shen ApJ、2014）、フレアの初期段階における磁束ロープの形成過程が初めて明らかにされました（Shen、ApJ、2017）。フレアの初期段階での磁束ロープ電流の注入がフレアの噴出を促進したことが初めて報告された（Shen, RAA, 2022, 2023）。高解像度の観測により、活動領域における米粒の出現過程における双極子場の分離運動と弓状の暗色縞の形成が報告され、小規模な磁束出現の起源が明らかになった（Shen, ApJ, 2022）。コロナ加熱の研究では、太陽の光球領域の磁気音響振動によって引き起こされるコロナ加熱が直接観測されました（Hashim、RAA、2021、ApJ 2024）。

第二に、太陽電波バーストと放射メカニズムの研究では、電波タイプVバーストと運動タイプIVバーストの可能な放射モデルが提案され（Tang, ApJ, 2016, 2020）、太陽電波の微細構造に関する研究が行われました（Tang, RAA, 2021, Wan A&A, 2021）。

第三に、衝撃波粒子の加速に関しては、二重衝撃波追跡効果をシミュレートして研究し、CME衝撃波と地球の弓状衝撃波との「正面衝突」をシミュレートしました。合体した粒子のエネルギースペクトルは「壊れた」特徴を示すことが判明し (Wang, ApJ, 2017)、粒子の注入率は加速効率と正の相関関係にあることが判明しました (Wang, ApJ, 2019)。

磁束ロープの形成の証拠

（画像出典：著者Shen et al提供、ApJ、2017）

フレアの前駆現象における非熱的電子加速の証拠

（画像出典：Shen et al、RAA、2022）

新疆天文台の太陽物理学「太陽活動バーストと宇宙天気研究」は、「第14次5カ年計画」の重要な発展方向として、さまざまな規模の太陽活動バーストの動的進化、フレア磁気エネルギーの蓄積と放出、コロナ加熱を明らかにする一連の研究作業を実施してきた。私たちの研究成果は、一方では太陽物理学の基礎研究の核心的な問題を解決することができ、他方では太陽活動の勃発を正確に予測し、壊滅的な宇宙天気に対する信頼性の高い早期警報情報を提供することができます。

コロナ加熱チャネルの証拠

（画像出典：Haxim et al. ApJ、2024、著者提供）

飛んでいる雁と同じくらいの高さですが、それでも青空には届きません。新疆天文台の太陽物理研究グループは黄金期を迎えている。近い将来、まず、低周波帯域で超高時間分解能と超高スペクトル分解能を備えた電波望遠鏡の建設に努め、あるいは既存の観測機器の必要なアップグレードを実施して、より高度な太陽観測のニーズに対応します。第二に、我が国の太陽物理学実験研究の急速な発展を支援するために、より多くの小型太陽望遠鏡の導入に努めます。第三に、国内外の大口径望遠鏡を活用して、さまざまな規模の太陽フレア活動の物理的メカニズムを研究し、宇宙天気予報にタイムリーな警告を提供します。

今後の道のりは、時間の経過とともに検証される必要があるでしょう。新疆天文台の太陽物理学チームのメンバーは、現在を捉え、未来を計画し、悔いのない若さを活かして、より良い明日につながる科学の道を切り開きます。