コロナ観測の進化：日食が少なすぎるので、日食観測装置を作った

「沈む太陽は三日月のようで、帝都は百年に一度しか現れない。」

日食は比較的珍しい天文現象であり、皆既日食はさらに珍しいものです。日食の中で最も完璧な現象である皆既日食は、毎回「天文学の饗宴」であり、世界中の天文学者から太陽物理学の分野における多くの謎を解く良い機会とみなされています。

図1. 皆既日食中に観測されたコロナの緑と赤の線の構造（Hubbal et al. 2011）

現在、科学技術の急速な発展により、稀な皆既日食の観測はもはや「珍しい」ことではなくなるかもしれません。

皆既日食は天文学者にとっての饗宴

皆既日食は、地球上の特定の場所の太陽光が月によって完全に遮られる天文現象です。

皆既日食が起こると、最も目を引く輝きは「ベイリーズ パール」です。実際、これは月の端にある起伏のある谷間から差し込む太陽光です。

図 2. 皆既日食中のベイリービーズ現象 (画像提供: Veer Gallery)

しかし、皆既日食中に観測する最も重要なものはコロナです。コロナの活動は地球に重要な影響を及ぼし、コロナを研究することが太陽物理学の分野で未解決の大きな謎を解く唯一の方法だからです。

それで、コロナとは何でしょうか?

図3. 太陽の構造（出典：Wikipedia）

私たちが肉眼で見ることができるのは光球であり、コロナは太陽の大気の最外層で、彩層の上から始まり、惑星間空間にまで広がり、太陽風の連続的な外向きの流れを形成しています。

諺にもあるように、「素人は興奮を見て、専門家は細部を見る」のです。皆既日食が起こると、天文学者にとって観測や研究を行う絶好の機会となります。

たとえば、太陽放射が地球の電離層に与える影響を測定することなど。コロナの複雑な形態と活動現象を研究する;コロナ領域の電子密度と温度に関する研究を実施する。太陽フレアとコロナ質量放出の誘発メカニズムに関する観測的証拠の探求。太陽黒点の変化の原因を探る;太陽磁場とコロナの構造および活動との相互作用を検証する。地球近傍の宇宙環境に影響を与え、太陽・地球空間の災害的な気象を引き起こす力の源を深く探究し、災害的な宇宙気象予報の基礎データを提供します。

図4. 皆既日食は太陽物理学の研究を行う絶好の機会です（画像提供：Veer Gallery、編集・修正済み）

残念ながら、このような「良い機会」は毎日訪れるわけではありません。さらに、実際の皆既日食の持続時間は非常に短く、天文学者が入手できるデータの量は決して十分ではありません。

どうすればいいですか？

チャンスは少ないので、私たちが作ります！ 「人工皆既日食」の計画が提案された。

量が足りない場合は人力で補います。

天文学者たちは「人工の月」を通して特別な天体望遠鏡、コロナグラフを開発し、皆既日食以外のときのコロナ観測の時代を切り開いた。

コロナグラフの出現は、コロナ質量放出の発生の問題を解決し、コロナ加熱などの科学的問題に対する答えを見つける上で大きな意義を持っています。

簡単に言えば、遮蔽皿を備えた望遠鏡として理解できます。その機能は、機器の特殊な構造を通じて皆既日食時の太陽の画像をシミュレートし、皆既日食が発生していないときにコロナ観測を行うことです。

従来のコロナグラフは、その構成と構造によって、内包型と外包型の 2 種類に分けられます。

内部掩蔽コロナグラフでは、対物レンズを望遠鏡の前端に配置し、対物レンズの主像面にバッフル（内部シールド）を設置します。バッフルは皆既日食のときの月に相当します。壮大で美しいコロナの光は、二次画像システムを通して私たちの視界に入ります。

次のようになります:

図5. 従来のエンドクリスタルコロナグラフの画像化原理の模式図（Yuan Hongchang et al., 2019）

外部シールドコロナグラフは、直射日光を遮るために対物レンズの前にシールド板（外部シールド）を配置しています。コロナ光は対物レンズによって一度結像された後、コリメーションシステムに入り、二次結像システムによって完全に捕捉されます。

コロナグラフで観測された太陽コロナは次のようになります。

図6.麗江コロナグラフ観測所提供のデータ

コロナグラフは良いものですが、作るのは簡単ではなく、万能薬でもありません。

友人とチャットしていると、コロナグラフに関する誤解をよく耳にします。

例えば、このコロナグラフは素晴らしいと言う人も多いでしょう。これがあれば、毎日皆既日食を観察したり、論文を延々と発表したりできるのではないでしょうか。

もちろん違います！

まず、「人工皆既日食」は簡単なことではありません。これには、コロナグラフの迷光を抑制する能力と、コロナグラフの地上観測場所を選択する能力という 2 つの重要な技術を習得する必要があります。

観測時には、観測したいコロナからの光以外に、太陽からの直射光、不純なガラス材料の不純物による散乱光、さらには光学部品のエッジからの回折光など、すべての光が迷光となります。コロナグラフの設計では、シェルターの設置、高精度研磨技術の使用、高品質のガラスの選択など、さまざまな操作を通じて迷光を可能な限り排除するためのモデリング解析が必要です。

しかし、コロナの明るさは太陽の光球面よりもはるかに暗いため（太陽中心の明るさはB⊙で表すのが一般的ですが、コロナは10-5～10-13B⊙と暗くなることもあります）、非常に困難です。

コロナグラフが組み立てられると、「人工皆既日食」に一歩近づくことになります。

しかし、「人工皆既日食」を成功させるには、優れたコロナグラフ観測ステーションが必要となるという重要なステップがまだ残っています。

太陽を眺めるには場所を選ぶ必要がありますか?

確かに！

太陽から地上コロナグラフの入射窓へのコロナ光の透過は、実際には 2 つのプロセスに分けられます。第 1 段階は、コロナ光が惑星間空間を通過して地球の大気圏の上部境界に透過することです。第二段階は、地球の大気圏の上層境界から地球の大気圏を通り地上のコロナグラフ窓への伝送です。

図7. 高度による可視コロナ放射のK、F、E成分の変化（Tu Chuanyi et al. 2020）

第一段階では、コロナの光は地球の大気の乱れの影響を受けず、安定していると考えられます。第 2 段階では、コロナ光は大気圏の上層境界を通過して地上のコロナグラフ ウィンドウに伝達され、そこで主に大気散乱とエアロゾル吸収の影響を受けます。空気が非常に薄い高山でも、大気散乱の大きさは 10-5 ～ 10-6B⊙ に達することがあります。

したがって、地上でコロナグラフ観測を行うためには、コロナグラフ観測所の場所を選定する必要があります。

私の国はコロナグラフ研究の開始が遅れましたが、急速に追いついています

実際、世界初のコロナグラフは1930年に誕生しました。

図8. フランス人のB.リオットがコロナ観測を行っている（出典：Wikipedia）

フランス人のB. リオットは、エンドクリスタルコロナグラフを発明し、大雪の後のピレネー山脈の高度2,870メートルで太陽コロナの観測に成功しました。これは人類が「人工皆既日食」に向けて踏み出した「画期的な」一歩だった。

その後、観測対象や処理技術の継続的な向上により、スイス、ドイツ、アメリカ、ロシアなどの国々がコロナグラフを従来の地上観測装置として順次採用し、太陽コロナの継続的な観測を行ってきました。コロナグラフの検出視野、時間/空間分解能、迷光抑制レベルは常に向上しており、地上観測から自律的な宇宙検出へと移行しています。

現在、コロナグラフは太陽物理学や宇宙天気の科学的研究や監視に欠かせない機器となっています。

では、我が国のコロナグラフ研究の現状はどうなっているのでしょうか?

先進国と比べると、我が国はコロナグラフの開発が遅れており、最も古いコロナグラフの開発は南京で始まりました。 1959年6月、南京大学は甘粛省祁連山脈の珠龍観地区でコロナグラフのテストを実施しました。しかし、機器の簡易性と当時の観測環境の制約により、コロナ画像をうまく撮影することができませんでした。

数十年後、当社の中国西部太陽光発電サイト選定チームは科学機器を携行し、新疆、チベット、寧夏、青海、四川、雲南などの省や都市にある 60 か所以上のサイトを訪問しました。科学的分析と、交通、気象・気候要因、地理的・地質的条件、社会・人口の発展に関する統計データとの組み合わせにより、コロナグラフ観測所の理想的な候補地がいくつか見つかりました。

現在、国際協力に基づき、2013年に標高3,200メートルの雲南省麗江天文台にコロナグラフの建設が完了しました。これにより、皆既日食以外の時期にわが国でコロナを観測できるようになっただけでなく、わが国西部の高地には地上コロナグラフ観測に適した優れた場所があることを証明し、わが国におけるコロナグラフの発展に確固たる基礎を築きました。

コロナグラフの継続的なアップグレードと改修、国内の主要大学や研究機関との交流と協力を経て、2017年にチームは麗江コロナグラフ高高度実験基地の建設を完了しました。同時に、チームはその強みを結集し、山東大学（威海）、長春光学・精密機械物理研究所、中国科学院、中国科学技術大学、国家天文台、紫金山天文台などの機関との協力も進めました。

努力は報われる。 2018年10月22日、我が国が独自に開発したコロナグラフの試作機が麗江コロナグラフ高高度試験基地で緑色の線コロナグラフ画像を取得することに成功しました！

この試験の成功は、我が国にとって主要なコロナグラフ技術における歴史的な進歩であり、我が国が国際的なコロナグラフ開発の仲間入りを果たしたことを示しています。

私たちはこのような画期的な成果を達成しましたが、国際ランキングのトップに到達するにはまだ長い道のりがあることを科学者たちは明確に認識しています。そのため、太陽コロナの画像を取得することに成功した後、科学者たちはすぐに新たな研究を開始しました。

今回、彼らは太陽のKコロナの明るさの研究に注目しました。

Kコロナは、コロナ内の自由電子による太陽の光球からの直射光の散乱によって形成されます。 Kコロナの明るさは、コロナ内の自由電子とイオンの密度の分布を反映します。太陽の爆発におけるコロナ質量放出は、比較的短期間に太陽の表面からコロナ物質が大量に放出される現象です。これらは太陽の大気圏における最も激しい爆発活動であり、太陽から発生する最大かつ最も破壊的な爆発でもあります。コロナ質量放出は大量のコロナプラズマを運び、その密度の動的変化はKコロナの形成メカニズムと密接に関係しています。 Kコロナの観測は重要な科学的研究価値を持っています。

Kコロナ観測では、コロナグラフの迷光抑制レベルとコロナグラフステーションの観測条件に対する要件が非常に高く、どちらも不可欠です。したがって、Kコロナを観測できるということは、コロナグラフ研究が高度なレベルに達したことの証しです。

太陽のKコロナの明るさを調べ、コロナ内の自由電子とイオンの密度の乱れを解析するためには、白色光コロナグラフを開発する必要があります。雲南天文台が担う中国科学院パイオニアAプロジェクト「洪湖特別プロジェクト」のサブプロジェクト「コロナグラフ近宇宙持ち越し実験」の実験任務を頼りに、研究者らは四川省甘孜州稲城県の標高約4,800メートルで実験と改良を継続的に行っている。

図9. 四川省甘孜県稲城県武鳴山でのコロナグラフ試験

ついに2021年、我が国が独自に開発した白色光コロナグラフにより、稲城県武鳴山の太陽コロナの白色光画像の取得に成功しました！

図10. 中国の科学者が四川省稲城市の武鳴山で太陽コロナの白色光画像を初めて撮影した

白色光コロナグラフの試験が成功したことで、Kコロナ研究のための観測データが得られました。これは我が国では初めてのことであり、我が国のコロナグラフ開発技術が新たなレベルに達したことを示しています。

名もなき山から生まれた奇跡は続く

「その音を理解するには千曲を演奏し、その武器を認識するには千本の剣を見る。」科学技術革新に近道はありません。事実から真実を追求することが進歩への階段です。

太陽物理学の分野における古典的な疑問、「コロナはなぜこんなに熱いのか？」は、サイエンス誌が選んだ現代天文学の8つの未解決の謎の1つです。しかし、「コロナ加熱」の理論的説明については多くの論争があり、その鍵となるのは、強力な観測的証拠がないことです。コロナ磁場の直接測定を行ったり、太陽に十分近い場所に探査機を打ち上げたり、主要な技術や観測方法のブレークスルーを達成したりすれば、「コロナ加熱」問題に対する直接的な観測証拠を得ることができるでしょう。コロナグラフはこれらの重要な問題の研究において重要な役割を果たします。

我が国のコロナグラフ研究開発チームが徐々に力をつけ、現実的に着実に前進していることは喜ばしいことです。コロナグラフ研究の分野では、地上コロナグラフ開発計画、SST宇宙太陽望遠鏡計画、「Kuafu」検出計画および太陽極軌道電波望遠鏡計画、「Meridian Project Phase II」地上分光イメージングコロナグラフ、先進太陽観測衛星ASO-S搭載コロナグラフなどを順次進めてきました。これらの将来の「人工皆既日食」により、皆既日食はもはや「珍しい」ものではなくなるかもしれません。

稲城の無名の山々から生まれる奇跡はこれからも続くと信じています。科学研究者の献身と創造性により、私たちはその情熱的な答えにどんどん近づいていくでしょう。次回の親交も楽しみにしております！

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