『三体』に出てくる「人工太陽」は実現しそうでしょうか？深センの若手科学者ユアン・ディン氏のチームの研究成果がネイチャー・アストロノミー誌に掲載された。

中国文明は5000年にわたって、天文学の探求を絶え間なく続けてきました。 『易経』や『漢書』などの古代中国の書物には、太陽の黒点の世界に関する最も古くて体系的な記録が保存されています。今日、ハルビン工業大学（深圳）宇宙科学応用技術研究所の馮雪尚教授と袁丁准教授が「太陽コロナ加熱問題」に取り組み、世界最大の太陽望遠鏡と高性能コンピュータシミュレーション法を用いて太陽プラズマ加熱の革新的な物理的メカニズムを提案したことで、中国の太陽研究は新たな一歩を踏み出した。

雑誌「ネイチャー・アストロノミー」の表紙のスクリーンショット

この研究結果は5月25日、「強く磁化された黒点における横振動とエネルギー源」というタイトルでネイチャー・アストロノミー誌に掲載された。ハルビン工業大学（深圳）のYuan Ding准教授が第一著者および責任著者、修士課程のFu Libo氏が第二著者、Feng Xueshang教授とポスドク研究員のBlazej Kuzma氏が共著者でした。記者は、この研究がヨーロッパやアメリカを含む多くの国の科学者や研究機関の共同の努力によって実現したことを知った。このプロジェクトの発起人として、ハルビン工業大学（深圳）宇宙科学応用技術研究所の馮雪尚教授と袁丁准教授が「チーフデザイナー」の役割を担い、人類が太陽についてさらに理解を深めることに貢献している。

「コロナ加熱問題」は極めて重要である

「中国月探査プロジェクト」は月から月の土を持ち帰ることに成功した。月はどんどん近づいてきていますが、太陽はどうでしょうか?ハルビン工業大学（深圳）宇宙科学応用技術研究所の袁丁准教授は記者団に対し、人類による太陽研究はまだ「初期段階」にあると語った。 「現段階では、太陽に関する研究は主に航空宇宙、通信、航行の分野に役立っています。デジタル経済の発展に伴い、人類は宇宙衛星、宇宙ステーション、月（火星）基地など、宇宙にますます多くの資産を持ち、それらとともに巨大なデジタル経済産業チェーンが生まれています。太陽の活動は人類の宇宙資産を直接脅かします。太陽嵐が襲って電力網や通信システムが損傷した場合、私たちは電気、通信、インターネット、ソーシャルメディアのない生活に直面することになります。」

太陽黒点の本影繊維は強磁場領域で横方向に振動し、膨大な量のエネルギーを運びます。

太陽は水素で構成されたガス球であり、そのエネルギーは太陽内部の核融合反応から生じています。エネルギーは太陽の中心部から太陽の表面（光球）まで内部から外部へ伝達され、温度は1600万度以上から5000度以上まで下がります。コロナは光球の外側にあり、内核の熱源から遠く離れているため、その温度は低くなるはずです。しかし、コロナの実際の温度は数百万度にも達し、光球の1,000～10,000倍も高くなります。これは、物理学界を一世紀にわたって悩ませてきた問題、つまり太陽コロナ加熱問題です。太陽コロナ加熱の問題は太陽研究の分野における「主要なテーマ」であり、2012年にサイエンス誌によって現代天文学の8つの未解決の謎の1つに選ばれた。

ハルビン工業大学（深圳）宇宙科学応用技術研究所准教授 丁元氏

袁丁氏はハルビン工業大学で光情報科学技術を学び、スウェーデン王立工科大学で原子力工学の修士号を取得し、その後、英国ウォーリック大学で物理学の博士号を取得しました。複雑かつ学際的な学習経験は、彼のその後の太陽物理学の研究の強固な基盤となりました。 2017年、学業を修了した袁丁さんはハルビン工業大学（深圳）に赴任し、宇宙科学と応用技術の研究に取り組みました。 「これはノーベル賞レベルの科学研究テーマです。」袁丁氏は、コロナ加熱の問題を長年懸念してきたと述べた。「コロナはなぜこんなに熱いのか？」コロナ加熱の原理を理解することで、「人工太陽」に関する研究が進み、人類にとって安全でクリーン、効率的で持続可能な「人工太陽」エネルギーを利用することが夢ではなくなるかもしれない。 SF小説「三体」に描かれている未来の世界では、人類は制御された核融合装置、つまり原子炉で燃える「小型太陽」を作り出し、少量の燃料を消費して大量の熱を放出し、発電を行っている。この装置は「人工太陽」と呼ばれています。

優れた太陽望遠鏡は「神の助け」

科学界はコロナ加熱の問題について多くの仮説、推論、研究を行ってきました。馮雪尚と袁定は先人たちの研究をさらに一歩進めた。 2018年、袁丁は天体観測を行うために米国カリフォルニア州のビッグベアーレイク天文台を訪れ、そこで謎を解くための「神の助け」であるグッドソーラー望遠鏡を発見した。グッド太陽望遠鏡は口径1.6メートルで、現在稼働している世界最大の太陽望遠鏡です。独自の観測場所と強力な観測機器・設備により、この極めて困難な研究テーマに取り組むことが可能になりました。グード太陽望遠鏡の高時間・高空間分解能観測データを使用して、袁丁氏は太陽黒点の強い磁場に周期的な横方向の動き、すなわち横方向モードの磁気流体波が含まれていることを発見しました。

米国のビッグ・ベア・レイク天文台にある口径1.6メートルのグールド太陽望遠鏡は、世界最大の太陽望遠鏡です。

袁丁氏は、太陽黒点は太陽表面で最も冷たい構造で、温度は約4000度である一方、その上の太陽活動領域は太陽コロナの中で最も熱い領域で、温度は約200万～2000万度であると説明した。太陽黒点と活動領域で構成される磁場と高温プラズマの結合構造により、太陽プラズマの加熱条件はより厳しくなります。これらの特徴は研究チームの注目を集めました。 2018年、ユアン・ディン氏がカリフォルニア州のビッグ・ベアー・レイク天文台で天文観測を行っていたとき、ちょうど太陽黒点の活発な周期と重なっていた。彼は、太陽黒点の本影繊維が横方向に揺れ、それによって巨大なエネルギーが生成されることを発見した。 「観察のタイミングは非常に重要だ」と袁丁氏は語った。チャンスは常に準備された心に味方する。観測、データ検討、仮説提案、国際チームとの共同研究を通じて、私たちは最終的に数学モデルに基づいて、太陽黒点の強磁場領域（約4000ガウス）に必要な駆動力が太陽の他の領域よりも100～1000倍高いことを計算しました。このタイプの動きによって運ばれるエネルギーの流れは、1平方メートルあたり約750万ワットです。太陽コロナを加熱するために必要なエネルギーの流れを満たすには、エネルギーの 1,000 分の 1 または 1 万分の 1 だけで十分であり、これは太陽プラズマ加熱の要件を満たします。

「太陽黒点の強磁場領域の横方向の移動は、都市の高層ビルの横揺れに相当します。この種の動きは膨大なエネルギーの流れを伴い、強い地震だけがこの種の動きを引き起こすことができます。このことから、太陽黒点の強磁場の横方向の移動は非常に高いエネルギーを運んでいることが想像できます。研究チームは、このエネルギーの流れは、1平方メートルのエリアを暖めるためにフルパワーで稼働しているエアコン7,500台に相当すると推定しています。」袁丁は言った。

研究結果が白熱した議論を巻き起こす

研究の意義について語った袁丁氏は、研究の最大の成果はコロナ加熱に必要なエネルギー流の数万倍の強さを持つ新たなエネルギー源を初めて検出したことであると述べた。彼はまた、スーパーコンピューターシミュレーションを使用してこのエネルギー源のプラズマ加熱効果を再現し、コロナ加熱の革命的な分野を創造しました。この研究は、コロナ加熱という100年来の物理学上の問題を解決する可能性を秘めており、次世代の口径4～8メートルの太陽望遠鏡などの大規模な国際科学研究装置の重要な科学的ターゲットになることが期待されています。

この論文が発表された後、科学界と一般の人々から大きな注目を集めたと理解されている。ネイチャー誌は、イタリア宇宙機関の著名な科学者マルコ・スタンガリーニ氏にこの研究についての論評を執筆するよう依頼し、コロナ加熱の理論に対するこの研究の画期的な貢献と、地上に設置する大型太陽望遠鏡の建設に向けた指導的意義を評価した。この研究は、ナショナルジオグラフィックを含む十数社の国際的に有名なメディアや科学雑誌で報道されました。

テレビシリーズ「三体」のスチール写真

この研究では、コロナ加熱に必要なエネルギーの流れよりも強い新しいエネルギー源が検出され、必然的に「三体問題」の「人工太陽」が現実に近づくのではないかという関連性が浮かび上がりました。袁丁氏は、この成果は確かに「人工太陽」のためのプラズマ加熱技術の研究開発を促進するのに役立つだろうと述べた。プラズマ加熱は、星間旅行に重要な燃料を供給する太陽風の起源を説明する上で重要なステップです。 「もちろん、『人工太陽』も『恒星間旅行』も、短期的には実現しそうにありませんが、この研究の結果はその後の研究にとって非常に重要な基礎を築きました。」袁丁氏は、今回の成果により、関連科学研究の「進歩バー」が一歩前進したと述べた。袁丁氏はまた、チームがコロナ加熱の分野における科学研究に引き続き注力していくことも明らかにした。 「研究チームの次のステップは、太陽黒点の新しいエネルギー源が一般的なものであるかどうかに焦点を当てることです。次の目標は、この理論を太陽黒点に適用し、高度な数学モデルと天文機器を使用して太陽黒点のプラズマ加熱メカニズムを調査することです。」

このプロジェクトは、Feng Xueshang氏とYuan Ding氏が率いる国際チームによって完成され、研究は世界中の専門家と学者によってサポートされました。修士課程のFu Libo氏とポスドク研究員のBlazej Kuzma氏は、それぞれ天文データ分析と2流体磁気流体力学数値シミュレーションに参加しました。ハルビン工業大学（深圳）宇宙科学応用技術研究所は、天文学実験の設計と天文学データ分析を担当しました。ニュージャージー工科大学（ビッグベアレイク天文台）は、グッド太陽望遠鏡の天文観測とデータ校正を担当しました。スペインのカナリア諸島天文学物理研究所がストークス光学反転とモデリングを担当しました。ポーランドのマリー・キュリー大学物理学部が2流体磁気流体力学数値シミュレーションを担当しました。ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の数学科が数学モデリングを担当しました。インド工科大学のチームは天文学実験の設計と論文執筆関連の作業に参加しました。昆明理工大学情報工学・自動化学院、深セン情報職業技術学院、国立天文台が天文データの解析などの関連作業に参加しました。

【ハルビン工業大学（深圳）宇宙科学応用技術研究所】