太陽にはオーロラがありますか？

みなさんこんにちは。私は北京大学宇宙物理応用技術研究所の周旭志です。今日、授業で科学の質問に答えたら、顔を平手打ちされました。ですから、今は特にその事実を受け入れたくない気持ちですが、この質問は実はかなり価値があるとも思うので、このビデオを通じてここで見直したいと思います。

この質問は短いです: 太陽にオーロラはありますか?私はオーロラの概念にかなり精通しているので、それについて長々と話すことができます。私は、まずは地球上のオーロラから始めましょうと言いました。宇宙の高エネルギー荷電粒子が磁力線に沿って地球の極地大気圏に入ると、大気圏中の中性粒子、主に酸素と窒素の原子または分子が衝撃を受けて、比較的高いエネルギー状態になります。その後、高エネルギー状態から基底状態に戻る際に、地球のオーロラのいくつかの特定のスペクトル線に対応する特定の波長の光子を放出します。簡単に言えば、いくつかの異なる色であり、その中で最も強いのは緑と赤です (図 1)。

図1: 地球のオーロラの色

もちろん他の惑星にもオーロラは存在します。たとえば木星。木星の大気の主成分は水素であるため、木星のオーロラで最も強い線は、紫外線帯のライマンアルファ線など、水素の特徴的なスペクトル線です。しかし、太陽はどうでしょうか?太陽では実際にはその逆のことが起こります。太陽スペクトルには暗い線がいくつかあります (図 2)。このスペクトルは吸収スペクトルと呼ばれます。太陽光自体が非常に強いため発生します。これらの光子が太陽の上層大気を通過する際、その周波数が特定の元素のスペクトル線と一致すると、光子は吸収され、暗線を形成します。これをオーロラと呼べるでしょうか？私はそうは思わない。

図2: 太陽光吸収スペクトル

このクラスメイトが準備万端で来るとは思っていませんでした。彼は私に「科学者が太陽の表面で地球のオーロラに似た現象を初めて発見」というタイトルのレポートを見せてくれました。同誌は2023年11月にネイチャー・アストロノミー誌に掲載された論文を引用し、太陽黒点の近くでオーロラが発見され、その頻度は地球のオーロラの数千倍も強いと述べている。私は一瞬唖然としました。地球のオーロラの周波数は、おおよそ可視光線の範囲内です。周波数が地球のオーロラの周波数の数千倍高い場合は、X 線として分類されるはずです。この記事は太陽からのソフトX線バーストについてですか?もちろん、太陽フレアは軟X線を放射しますが、これは新しい発見ではなく、オーロラと呼ぶことはできません。それで私はそのクラスメイトに、知らないと正直に伝え、家に帰ってその論文を読んでみるように頼むことしかできませんでした。

家に帰って初めて、この論文が実は放射線に関するものであることに気づいた。電波は、非常に長い波長を持つ電磁波の一種です。私たちが通常言及する可視光の波長は、約数百ナノメートルです。たとえば、オーロラの赤い光の波長は 630 ナノメートルです。しかし、電波の波長はどれくらい長いのでしょうか?たとえば、地球のオーロラキロメートル波と呼ばれるタイプの電波が観測されることがあります。名前が示すように、波長はおよそキロメートルのオーダーで、可視光線の数十億倍の長さです。オーロラキロメートル波といえば、星の科学者カール・セーガンの非常に有名な観測写真をお見せしたいと思います。周知のとおり、カール・セーガンは常に地球外生命体に強い関心を抱いていました。そこで彼は、ある時、地球をエイリアンの視点から観察できるかもしれない、と考えました。人間は日々さまざまな電磁波を利用しているので、宇宙の衛星から地球を観測したらどんな電磁波が見えるだろうか、宇宙人を探すときの参考にしたいと考えました（図3）。彼はガリレオと呼ばれる衛星を使用し、実際に人間の活動から発せられる電磁波を観測しました。それが写真の左上隅にある水平のバーです。しかし、これに加えて、図の AKR で示されている左下隅の散乱した変動など、さまざまな電磁波も確認できます。この AKR は Auroral Kilometric Radiation の略で、オーロラ キロメートル波を意味します。

図3: 地球の電磁波の衛星観測、Sagan et al.、Nature、1993より

この写真から見ると、オーロラキロメートル波はあまり目立たないように見えるかもしれませんが、実際には、発見されるとすぐに科学者から強い注目を集めました。非常に特別な特性がいくつかあるからです。まず第一に、この変動は非常に強いです。どれくらい強いですか？観測された電波放射を黒体放射とみなし、プランクの公式に当てはめると、対応する等価温度はおよそ 10 の 14 乗のオーダーになります。この温度はあまりにも異常なので、明らかに熱放射によるものではない。他のプロパティの方が興味深いです。ご存知のとおり、電子は磁場内に置かれると、磁場の周りを動き回ります。この運動の周波数は電子サイクロトロン周波数と呼ばれます。地球の極磁場内の電子のサイクロトロン周波数がオーロラキロメートル波の周波数に非常に近いことが発見されました。また、オーロラキロメートル波は、その名の通り、励起領域が地球の高緯度オーロラ帯に位置し、伝播方向は基本的に磁場の方向と垂直です。したがって、この変動の励起は、極地の高高度における磁場の周りの電子のサイクロトロン運動に関連していると考えられますが、具体的な励起プロセスが何であるかについては、まだ議論が続いています。

現在主流となっている見解は、この変動は電子サイクロトロンメーザー不安定性と呼ばれるプロセスによって励起されるというものである。この不安定性は複雑に聞こえますし、もちろん複雑ですが、簡略化したバージョンを説明することができます。非常に弱い電磁波の変動があり、その分極方向と周波数が電子のサイクロトロン方向と周波数と一致すると想像してください。したがって、この電子の観測の観点から見ると、この変動する電場は常にそれ自体と一定の位相差を持ちます。つまり、電子は連続的に加速または減速することができ、言い換えれば、波と電子の間の共鳴によって強力なエネルギー交換が起こります。もちろん、宇宙には多くの電子があり、その中には波にエネルギーを与えるものもあれば、電子にエネルギーを与える波もあります。前者が多い場合、電磁波はどんどん強くなり、オーロラキロメートル波として観測できるようになります。

しかし、問題があります。空間内の電子の速度分布がボルツマン分布を満たし、各方向に移動する電子の数が同じである場合、電磁波にエネルギーを与えることができる電子の数は、電磁波からエネルギーを得る電子の数よりも少なくなります。したがって、この場合にはオーロラキロメートル波は現れません。しかし、宇宙は素晴らしいです。地球の高緯度地域では、異なる方向に移動する電子の数が異なります。この理由はオーロラに直接関係しています。先ほど、地球のオーロラは主に宇宙の電子が磁力線に沿って極地の大気圏に到達することで発生すると述べました。では、宇宙空間にある電子を考えてみると、その移動方向が磁力線と大きな角度をなす場合、どのように移動するのでしょうか?ある高さでは強い磁場によって跳ね返されます（図4）。つまり、地球の大気に衝突した電子だけが跳ね返らないのです。したがって、地球の極地の上空を見ると、電子はどの方向にも動く可能性があることがわかります。ただし、磁力線に逆らう方向だけは例外で、その方向にはほとんど電子が動きません。この異方的な電子速度分布は電子サイクロトロンメーザーの不安定性につながり、オーロラキロメートル波を生成します。このため、この電波の波長は私たちが通常話すオーロラよりも数十億倍長いにもかかわらず、この電波放射をオーロラにちなんで名付けました。

図4: 地球の磁場における電子の運動の例

同様の電波放射は木星や土星などの他の惑星からも観測されています。もちろん、その周波数は地球上のオーロラキロメートル波とは多少異なります。その理由は非常に単純です。前述のように、オーロラキロメートル波の周波数は電子のサイクロトロン周波数に非常に近く、電子のサイクロトロン周波数は局所的な磁場によって決まります。木星の磁場は地球よりもはるかに強いため、対応する電波放射周波数も地球よりも高くなります。実際、人類史上初の木星の磁場の測定は、木星の電波放射の周波数を反転させるこの方法によって行われました。同様の電波放射はいくつかの低質量の星でも観測されており、この電波放射は同じ発生源から来ていると一般に考えられています。

ついに私たちは太陽に戻ります。ネイチャー・アストロノミー誌に掲載されたこの論文の目新しい点は、太陽黒点上で通常見られる太陽電波バーストよりもはるかに長く続いた同様の電波放射を太陽で観測したという点にある。このプロセスは、著者の概略図（図 5）で表すことができます。画像の下部にある 2 つの黒い領域は、2 つの太陽黒点を表しています。太陽黒点では磁場が非常に強くなります。また、図からは、2つの黒点を結ぶ磁力線が円弧状になっており、磁力線の両端の磁場が強く、中央の磁場が弱くなっていることがわかります。このパターンは、地球の北極と南極を結ぶ磁力線のパターンに多少似ています。そこで著者は類推を行い、太陽黒点の上では磁力線に平行に動く電子よりも磁力線に垂直に動く電子の方が多いだろうと考え、それが電子サイクロトロンメーザー不安定性の発生につながり、電波放射を刺激するだろうと考えた。太陽黒点上の磁場の強度は地球の極地の磁場の強度よりもはるかに強いため、対応する放射周波数も地球のオーロラキロメートル波の数千倍高くなります。

図5: 太陽の「オーロラ」電波放射の模式図

これは、特に新たな可能性を示唆するものであり、非常に興味深い発見だと思います。過去には、低質量の星から放射される電波信号を観測したとき、その電波の変動は星全体の磁場から生じたものだと一般に信じられていました。しかし今では別の説明があることがわかっています。おそらくこれらの星にも黒点があり、黒点間の小規模な磁場パターンも電波放射を刺激する可能性があるのでしょうか?この推測はさらなる研究によって検証される必要がある。

最後に、本題に戻ります。この太陽からの電波放射はオーロラと呼べるのでしょうか？そうかもしれません。しかし、この電波帯のいわゆるオーロラは、私たちが普段話しているオーロラと何らかの因果関係があるとはいえ、結局のところ、それらは非常に異なります。おそらく私たちは、大衆科学を行う際には、この2つを単純に混同しないようにもっと注意するべきなのではないでしょうか。皆さんを励ますことが、このビデオを作った私の本来の目的でもあり、皆さんがこのビデオから何かを得られることを願っています。ありがとう！

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 周旭志、北京大学地球宇宙科学学院研究員

査読者: 中国科学院国家宇宙科学センター研究員、孫志斌

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司