太陽はどれくらい暑いですか？この探査機は「触れた」

アメリカとソ連の冷戦中、アメリカ人はソ連の信用を失墜させるために、有名な「夜は太陽に向かえ」のような多くの「物語」をでっち上げた。

アメリカ人が月面着陸に成功した後、ブレジネフは同日、ソ連の宇宙飛行士に電話をかけた。

「アメリカはすでに月に着陸しているので、ソ連はあなたたちを直ちに太陽に着陸させることを決定した」とブレジネフ氏は語った。

「ブレジネフ同志、我々は焼き殺されるだろうと知らないのか？」宇宙飛行士はショックを受けて窒息してしまいました。

ブレジネフは怒って言った。「政治局がこの件を考慮していないとでも思っているのか？ 我々は君たちを夜、太陽のいる場所に着陸させることに決めたのだ！」

「ソビエトジョーク」でよく嘲笑される老人たち

(画像出典: IMRussia)

このジョークは非常に人気があり、何度も改変されてオンライン ジョークやクロストークのフレーズとなり、高い地位や名声を持ちながらも常識に欠ける人々を説明するのに使われています。

地球には昼と夜があることは誰もが知っていますが、昼であろうと夜であろうと、太陽は非常に焼けつくような火の玉です。着陸か飛行か？それは単なる希望的観測です。

GIF: 地球の自転と昼夜の交替

(画像出典: vjshi.com)

しかし、科学の発展により、太陽への着陸という冗談が現実のものとなった。

アメリカ航空宇宙局（NASA）の科学ミッション部門のトーマス・ザーブッヘン副部長は2021年12月14日、ニューオーリンズで開催された「2021年アメリカ地球物理学連合秋季会議」において、人類が打ち上げたパーカー・ソーラー・プローブ（PSP）が打ち上げから3年後の2021年4月に太陽大気の最外層（コロナ）の通過に成功し、太陽に「触れた」最初の宇宙船となったと発表したと報じられている。

この最初の経験はわずか数時間しか続かなかったが、人類が太陽と「接触」する時代の幕開けとなった。 PSPは今後7年間で太陽への接近飛行を21回実施する予定だ。

太陽に着陸したら、どれくらいの高温に耐えなければならないでしょうか?

「太陽の表面温度は約6000度」とよく聞きます。このデータはどこから来たのでしょうか?誰かテストした人いますか?実際、この温度は主に科学者による太陽放射の分析から得られたものです。

太陽の表面は「光球」と呼ばれ、私たちが肉眼で見る太陽の可視光はここから放射されています。光球は可視光線に加えて、紫外線やX線など、全帯域にわたってさまざまな周波数の放射線も放射します。

科学者たちは各周波数放射の強度を分析し、一部の周波数放射は強く、一部は弱いことを発見しました。これは、約6000度（正確には5700ケルビン温度、約5500度）の黒体から放出される放射強度分布と非常に類似しているため、「太陽の表面温度は約6000度である」という結論に達しました。

しかし、パーカー探査機は太陽の表面ではなく、表面の6,000度よりもはるかに高温のコロナを通過している。

太陽の大気は内側から外側に向かって、主に光球、彩層、遷移層、コロナに分かれており、高度によって温度が変わります。下の曲線は、低高度から高高度までの太陽大気の温度変化曲線です。表面では数千度から数万度、コロナでは数百万ケルビンの温度まで変化します。太陽の大気の温度は内側から外側に向かって上昇します。

太陽の大気の内側から外側までの温度。青いコロナは太陽コロナを指し、数百万ケルビンの温度（摂氏273度）に達することがあります。

(画像提供: NASA)

したがって、パーカー・ソーラー・プローブは太陽の最外縁部にありますが、実際はより高温の場所にあります。

しかし、太陽を取り囲む「プラズマ」の「温度」は、私たちが日常的に感じる寒さや暑さと同じではありません。宇宙の特定の領域では、他の物体に大きな熱を与えることなく、温度が数千度に達することがあります。

言い換えれば、私たちはその中にいるときは暑さを感じないのです。これはなぜでしょうか?

この問題を説明する前に、物質は目に見えない粒子、つまり分子と原子で構成されていることを知っておく必要があります。いわゆる温度は、実際には物質を構成する粒子の移動速度の尺度であり、一方熱は物質間で伝達されるエネルギーの総量を測るものです。粒子は非常に速く移動する（高温）可能性がありますが、粒子の数が非常に少ない場合は、多くのエネルギーを伝達しません（低熱）。

宇宙の大部分は空であるため、コロナのような場所では物質密度が極めて低く、直接伝達できる熱量もそれほど高くありません。太陽の周囲では、太陽からの大量の放射線によって検出器が熱くなりやすくなります。私たちが太陽を浴びると暖かく感じるのと同じように、可視光線で表される太陽放射は、照射された物体に多くのエネルギーを伝えます。

そのため、パーカー・ソーラー・プローブは数百万度の温度のコロナ空間を通過しますが、科学者たちは、太陽に面したプローブ側の熱シールドの表面は摂氏約1400度（華氏2500度）までしか加熱されないと計算しています。もちろん、この気温はすでに非常に高くなっています。例えば、火山の噴火で生じたマグマの温度は摂氏約700～1200度ですが、鉄の融点は摂氏1538度で、ちょうど溶ける寸前です。

太陽の下での冒険に必要な装備はどのように選べばいいのでしょうか?

1,400度の高温では、検出器が溶けなくても、内部の精密機器が正常に動作しにくくなります。パーカー・ソーラー・プローブはどのようにして太陽コロナを通過し、科学的な探査まで行うことができたのでしょうか?

これは実際には、科学者がパーカー太陽探査機に熱シールドを「取り付けた」ためです。ヒートシールドは、主に太陽光などの太陽放射をできるだけ多く反射できるように、白いセラミック層でコーティングされた厚さ 11.43 cm (4.5 インチ) のカーボン複合シールドで作られています。

熱シールドは、チタン製フレームで作られた大型ラジエーターの上に、太陽に面した探査機の側面に設置されるように設計されています。この構造により、宇宙船の積載物は太陽の表面に向かって移動する際に、冷たく暗い影の中に保たれます。

作業員が熱シールドを設置

(画像提供: NASA)

科学者の推定によると、外層は1,400度の温度に達するが、保護カバーの効果により、パーカー・ソーラー・プローブがミッションの後期に太陽表面に最も近づくとき、保護層の底面の温度は315～371度に維持されるという。この温度は鉛の融点とほぼ同じですが、アルミニウムの融点である 660 度にはまだまだ遠いです。

実際、宇宙船を設計した科学者や技術者たちは、太陽放射がなければ暗黒面が寒すぎるかもしれないこと、そして宇宙船の科学機器や設備がミッション中に溶けるのではなく凍結してしまうかもしれないことを心配していた。

過冷却や凍結といった極端な状態を避けるため、パーカー探査機に搭載された機器や装置は外側が保温ブランケットで包まれ、別途太陽熱ヒーターと組み合わせられている。簡単に言うと、これらの楽器は冬と同じように電気毛布で覆われています。これにより、作業環境の温度が約 28 度に保たれます。

加熱または冷却のいずれの場合でも、パーカー プローブには電源として、またプローブに搭載された計器やその他の電子機器に電力を供給するために電気が必要です。近くにある太陽は「生命の源」です。探査機が発電に使う太陽電池パネルは、ラジエーターの下から伸びる翼状のフラップに取り付けられている。これらは太陽の熱に対処できるだけでなく、パーカー探査機に安定した電力を供給できる独自の冷却システムも備えています。

パーカー太陽探査機の設計。前面の白いプレートはヒートシールドです。

(画像提供: NASA)

この記事の冒頭に戻りましょう。「夜に太陽に行く」ことがジョークになる理由は、そのジョークを言う一般の人々が、太陽が非常に暑いこと、昼と夜は地球が太陽の周りを回転することによって生じ、夜になっても太陽は冷たくなることはないことをすでに知っているからです。

少し考えてみると、科学者の探究と研究が拡大し続けるにつれて、一般の人々の理解も深まってきたことがわかります。学者ユージン・パーカー率いる科学者による太陽に関する継続的な研究があったからこそ、私たちは太陽について今日のような理解を持つことができたのです。この記事で紹介した技術のサポートにより、「太陽の上を飛ぶ」ことが現実のものとなり、太陽に関する知識がさらに深まり、太陽物理学に対する人類の理解と再構築が大きく進む可能性があります。

今日、パーカー探査機は太陽に接近し、それが持ち帰る貴重な情報は、明日の一般人にとって「3歳児でも知っている常識」となるだろう。近い将来、パーカー・ソーラー・プローブが太陽のさらなる謎を明らかにし、一見「不可能」と思われる課題をさらに達成してくれると信じています。

パーカー探査機に続き、中国の西和探査機や今年打ち上げ予定の先進宇宙太陽観測衛星（ASO-S）、NASAのMUSEおよびHelioSwarmミッションなど、太陽を観測するための宇宙船である多くの新しい探査機が人類の太陽探査に貢献している。一緒に待って見ましょう！

参考文献:

[1] パーカー太陽探査機が太陽の周りを記録的な周回を完了、https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/

[2] パーカー太陽探査機のヒートシールドが熱真空テストに入る、https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2017/12/

[3] パーカー太陽探査機ミッション、https://blogs.nasa.gov/parkersolarprobe/2018/08/11/the-parker-solar-probe-mission/

制作：中国科学普及協会

著者: 鄭鄭有生

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター