彼の名前は15億ドルの価値がある：天才少年の伝説的な人生

2022年3月15日、ユージン・パーカーが94歳で亡くなりました。パーカーは天才です。彼は30歳の時に太陽風の存在を厳密に証明し、有名になった。彼は 60 年にわたる学術的キャリアの中で、単独著者として 200 本以上の研究論文を発表し、太陽物理学、プラズマ物理学、さまざまなスケールでの磁場の特性に関する人類の理解を再構築しました。現在、彼の名を冠した15億ドルのパーカー太陽探査機が彼の遺産を引き継ぎ、太陽の秘密を解き明かしている。パーカー氏はもうこの世にいませんが、彼の発見と学術的遺産は永遠に人類とともにあります。

著者 |王山琴

2022年3月15日、シカゴ現地時間、著名な物理学者、天体物理学者、地球物理学者のユージン・ニューマン・パーカー氏が94歳で亡くなりました。

パーカーは20代で若き学問の権威となり、30歳の時には太陽風の理論への決定的な貢献で有名になった。以来、半世紀以上にわたり太陽物理学、プラズマ物理学、宇宙物理学など多くの分野で研究を続け、得られた一連の重要な成果はこれらの分野の様相を大きく変えました。

この記事では、パーカーの伝説的な勤勉さと賢明さに満ちた人生を紹介します。

物理学に夢中な若者

パーカーは1927年6月10日にミシガン州ホートンで生まれた。後年のインタビューで、彼は子供の頃から物事がどのように機能するかに興味を持っていたと語っている。[1]高校生の頃、パーカーは物理学に夢中だった。パーカーは高校卒業後、物理学を学ぶためにミシガン州立大学に入学した。

図1: 若い頃のパーカー。出典: https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

1948年、21歳でパーカーは大学を卒業し、学士号を取得した後、カリフォルニア工科大学に進学し、星間塵とガスの構造を専門とする博士号を取得しました。 3年後、パーカーは博士号を取得しました。

パーカーは学部生および博士課程で電磁気学と流体力学の非常に強固な基礎を築き、それがその後の多くの分野での広範な研究に最も役立つツールとなりました。

パーカーの研究分野は 2 つのカテゴリーにまとめることができます。1 つ目は、地球、太陽、太陽系、銀河の磁場の特性です。 2つ目はプラズマの特性です。プラズマは高温ガスの分解によって形成される正イオンと電子の混合物です。太陽は重力によって束縛されたプラズマの塊です。流れるプラズマには当然磁場が伴うため、これら 2 つのカテゴリは絡み合っています。

画像: 太陽観測衛星 (SDO) によって取得された紫外線データから合成された疑似カラー画像。これは、私たちが可視光線で直感的に見る赤と黄色の太陽と非常によく似ています。出典: NASA/SDO (AIA) (パブリック ドメイン)

1951年、24歳のパーカーはユタ大学に赴任し、4年間講師および助教授として働いた。パーカーは1952年以来、その学術的才能と創造性を世界に示し、多くの分野で重要な成果を達成してきました。

NASA の天体物理学データベース システム (ADS) によると、1952 年から 1957 年にかけて、パーカーは第一著者として 20 本の論文を発表しており、そのうち 6 本は The Astrophysical Journal (ApJ) に、2 本は The Astronomical Journal (AJ) に、7 本は Physical Review (PR) に、2 本は The Journal of Geophysical Research (JGR) に、1 本は Nature に、1 本は The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) に、1 本は The Journal of Applied Physics に発表されています。これら 20 件の第一著者論文のうち、共著者がいるのは 1 件のみで、残りは単独著者論文です。

これらの論文は物理学、天体物理学、地球物理学に及び、星間ガスと塵の動的特性と重力不安定性、太陽の電離層における乱流と音響、一般流体の乱流特性、圧縮流体の音響放射、熱場の不安定性、太陽フレアの形成メカニズム、磁気流体波と宇宙線加速、磁気流体エンジン理論、太陽磁気流体エンジン理論、地磁気嵐など、多くのトピックを研究しています。

図 2: 波長 13.1 ナノメートルにおける太陽フレアの X 線画像。太陽フレアが発生すると、太陽の局所的な領域が突然明るくなります。出典: NASA ゴダード宇宙飛行センター (パブリック ドメイン)

当時、まだ30歳だったパーカーは、すでに素晴らしい若者であり、若き学術リーダーでもありました。パク氏は継続的かつ安定した質の高い学業成績を収めたため、1955年にシカゴ大学に転校することができました。

なぜ上記では 1957 年までの論文しかカウントされないのかと疑問に思うかもしれません。なぜなら、彼は 1958 年に学問のキャリアにおいて伝説的な業績を残したからです。

太陽コロナ、彗星の尾、そして「太陽粒子放射」

1957 年以降、パーカーは太陽コロナ領域の温度に関する問題に細心の注意を払い始めました。コロナは太陽の外側を覆う高温の薄いガスの層です。日食が起こると、簡単に観察することができます。その形が帽子に似ていることから、外国の天文学者はこれをラテン語で「王冠」を意味し、中国語では「太陽コロナ」と翻訳されている「コロナ」と名付けた。以前、天文学者たちは太陽コロナを観測した際に高度に電離した鉄イオンの存在を確認し、これに基づいてコロナの温度は100万度以上であると計算した。

図 3: この画像は 1999 年の皆既日食の際にフランスで撮影されました。画像内の薄い灰色の部分が太陽コロナです。実際のコロナは画像で見える範囲よりもはるかに広範囲に広がっています。出典: リュック・ヴィアトゥール

1954年に発表された論文で、イギリスの数学者で地球物理学者のシドニー・チャップマン（1888-1970）は、高温コロナの特性を計算し、コロナの熱伝導率は非常に良く、熱流は地球の軌道を超えて宇宙に拡散することを発見しました。

図4: チャップマン|出典: パブリックドメイン

パーカーは確かにチャップマンの重要な論文に注目した。しかし、パーカー氏はまた、彗星の尾の研究と「太陽は常に荷電粒子を放出している可能性がある」という関連する仮説にも言及した。

これら 2 つのトピックは、実際には以前にも絡み合っていました。

1859年には、イギリスのアマチュア天文学者リチャード・C・キャリントン（1826-1875）とリチャード・ホジソン（1804-1872）がそれぞれ独立して、太陽の局所的な明るさが突然劇的に増加する現象、つまりフレアを観測しました。その後数日間、地球上では激しい磁気嵐が発生しました。キャリントン氏は、フレアと磁気嵐の間には関係があるのではないかと推測した。アイルランドの物理学者ジョージ・フランシス・フィッツジェラルド（1851-1901）は、太陽の表面の物質が加速されて数日後に地球に到達し、地磁気嵐を引き起こすと提唱しました。 [2]

図 5: フィッツジェラルド |出典: パブリックドメイン

彗星の尾の研究により、天文学者たちは新たな考えを得た。天文学者たちは、彗星の「ガスの尾」が常に太陽から「隠れている」ことを発見した。 1910 年、イギリスの天文学者アーサー・エディントン (1882-1944) は、彗星を研究した論文の脚注で、太陽からの大量のイオンが彗星に影響を及ぼすだろうと提唱しました。彼は以前にも同様のアイデアを提案したことがあったが、その時はそれが負に帯電した電子であると推測していた。

図6: 彗星の尾。ガステールはガステール、ダストテールはダストテールです。出典: NASAエイムズ研究センター/K. Jobse、P. Jenniskens (パブリック ドメイン)

図 7: エディントン |出典: パブリックドメイン

ノルウェーの天文学者クリスティアン・ビルケランド（1867-1917）は、オーロラの詳細な研究の結果、地球は太陽からの荷電粒子に絶えずさらされ​​ているという結論に達し、1916年に太陽から放出される粒子には負に帯電した電子と正に帯電したイオンの両方が含まれていると初めて提唱しました。

図 8: ブックランド |出典: パブリックドメイン

図 9: NASA の衛星「Magnetopause-Aurora Global Exploration Imager」が捉えた南極光 (画像) |出典: NASA (パブリックドメイン)

1951年、1952年、1957年に、ドイツの天文学者ルートヴィヒ・ビアマン（1907-1986）は3つの論文で彗星の尾の特性を研究し、太陽から放出された荷電粒子が彗星の尾の方向に影響を与えるという仮説も提唱しました。彼はこれらの粒子を「太陽粒子放射線」と呼び、その速度は秒速約500～1500キロメートルであると指摘した。

図 10: Biermann |ソース：
http://phys-astro.sonoma.edu/brucemedalists/ludwig-biermann

パーカーは、チャップマンが言及した「宇宙に拡散した熱流」と、ビアマンが彗星の尾の方向に影響を与えると推測した「太陽粒子放射」は同じものであり、両方とも高温のコロナから来ていると信じていた。

厳密な数学的推論の末、パーカーはコロナは熱の良導体であるため、その外層は数百万度に達する可能性があり、そのためコロナ内の粒子は平均して非常に高い運動エネルギーを持っていることを証明しました。一方、外側のコロナ内の粒子はより弱い重力の影響を受けます。

これら2つの要因により、外側コロナの粒子は太陽の重力を克服し、音速を超える速度でコロナから脱出し、高速の「太陽粒子放射」を形成することになります。

ヒットとリバーサル

1958年1月2日、ApJ編集部はパーカーの論文を受け取った。標準的な手順に従って、編集者はそれを査読者に送信します。

査読者はパーカーの論文を却下した。査読者は「パーカーには、論文を書く前に図書館に行って関連分野をいくつか読むことを勧めます。この論文はまったくのナンセンスですから」と述べた[3]。このコメント以外、査読者は論文の詳細について何のコメントもしなかった。

それほど有害ではありませんが、非常に侮辱的です。

さらに悲劇なのは、編集部が見つけた2人目の査読者も原稿を却下したことだ。

パーカーの論文が2人の査読者によって却下された後、当時のApJ編集長、スブラマニアン・チャンドラセカール（1910-1995）が自ら論文を査読することに決めた。チャンドラセカールは天体物理学の万能の達人です。編集長としての在任期間中、彼はApJに投稿されたあらゆる分野の論文を査読することができました。

図 11: Chandrasekhar |出典: パブリックドメイン

パーカー氏の論文を読んだ後、チャンドラセカール氏もパーカー氏の論文で述べられている見解に同意しなかった。しかし、彼は論文の数学的導出にいかなる誤りも見つけることができなかった。したがって、彼は論文を出版することに同意した。

こんなに多忙なチャンドラセカール氏が、なぜ2人の査読者に却下された原稿の査読を自ら引き受けたのだろうか？なぜなら、前述したように、パーカーは当時すでに若き学問の権威者だったからです。チャンドラセカールは、そのような優秀な若い学者がナンセンスな話をする可能性は低いと信じていました。

当初、パーカーは「太陽粒子放射線」という用語を使用していました。彼はその後の論文で、それを「太陽風」と改名した。

1959年1月、ソ連のルナ1号宇宙船が初めて太陽風を直接検出し、その強度を測定した。その後、「ルナ2号」、「ルナ3号」、「金星1号」の探査機がこの結果を検証した。 1962年、NASAのマリナー2号宇宙船が金星を通過した際にも、粒子の安定した流れが検出され、パーカーの「太陽風」理論がさらに裏付けられた。

図 12: 太陽風が火星に衝突し、上層大気を剥ぎ取る様子を描いた芸術的表現。出典: NASA/GSFC

パーカーは太陽風の存在について推測した最初の学者ではなかったが、太陽風が形成され得ることを厳密に証明した最初の学者であった。これらの検出結果は、確かな計算に基づくパーカーの結論を裏付けています。その結果、パーカーの評判は大きく高まりました。

図 13: 太陽風を収集し、その組成を決定するために月面に導入された太陽風組成 (SWC) 実験の装置。立っているのはアポロ11号の宇宙飛行士エドウィン・E・オルドリン（1930年-）、写真を撮っているのは人類初の月面着陸者であるニール・アルデン・アームストロング（1930年-2012年）です。出典: NASA / ニール・A・アームストロング (パブリックドメイン)

その後の観測と理論的研究により、彗星のガスの尾、地磁気嵐、オーロラの方向を決定する根本的な原因は太陽風であることが証明されました。

年をとってもまだ強い、心は決して変わらない

太陽風の研究で有名になった後も、パーカーは気を緩めなかった。その代わりに、彼はその後の半世紀に駆け出したばかりの若い学者のように熱心に研究し、太陽物理学、さまざまな規模の天体の磁場、太陽と地球の磁場の相互作用、そして流体力学やプラズマ物理学そのものにおけるさまざまな現象に多大な貢献をしました。

図 14: 1977 年のパーカー |ソース：
https://news.uchicago.edu/story/eugene-parker-legendary-figure-solar-science-and-namesake-parker-solar-probe-1927-2022

1995年、パーカー氏は68歳で引退した。引退後も関連分野で活躍し、著書の執筆を続けている。 85歳のパーカー氏は、1952年に最初の論文を発表してからちょうど60年後の2012年に、プラズマ物理学と制御核融合（PPCF）誌に研究論文を発表した。

パーカー氏の60年にわたる熱心な研究は、太陽物理学、地球物理学、流体力学、プラズマ物理学などの分野に対する人々の理解を深め、これらの分野の多くに新たな形を与えました。彼の研究は、堅固で洗練された数学的基礎に基づいており、深い物理的直感によって導かれています。パーカーの同僚でシカゴ大学の天文学と天体物理学の教授であるロバート・ロスナーは、パーカーを「聡明で才能があり、人柄がよく、雄弁だが謙虚でもある」[4]ことから「理想的な物理学者」と称賛し、彼の驚くべき物理的直感と数学的分析能力に深い感銘を受けたと述べた。

図 15: 方程式の連立方程式を書いている高齢のパーカーさん。ソース：
https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

パーカー氏の60年間の努力は学術界に多くの成果をもたらしました。 ADSインデックスによると、パーカー氏は様々な研究分野でトップクラスの国際ジャーナルに200本以上の第一著者研究論文を発表しており、その大部分は単著論文である[5]。さらに、パーカー氏は数多くの招待レビューや先進的な科学一般向け記事を執筆し、多くの教科書を出版しています。これらの作品はパーカーの才能を証明するだけでなく、彼の勤勉さも証明しています。

図 16: 同僚たちがパーカーの 90 歳の誕生日を祝う |出典: ジャン・ラシャ

パーカーの多くの優れた貢献により、いくつかの現象、モデル、方程式は彼にちなんで名付けられました。例えば、[4]：銀河内の磁気浮力の不安定性を記述するパーカー不安定性、プラズマを通過する粒子を記述するパーカー方程式、プラズマの磁場を記述するスウィート-パーカーモデル、惑星間磁場を記述するパーカースパイラル、磁気単極子流の限界を記述するパーカー限界などです。

図 17: パーカースパイラルアームの概略図。出典: Miserlou (パブリックドメイン)

無冠の王

パーカー氏は数々の重要な業績により、数々の賞や栄誉も獲得しています。

1967年、パーカーは米国科学アカデミーの会員に選出された。 1969年、パーカーは太陽物理学と太陽と地球の関係に関する研究によりヘンリー・ノリス・ラッセル講演賞とアルクトフスキー賞を受賞した。

1978 年、アメリカ天文学会は太陽物理学に多大な貢献をした学者を称えるために、初めてジョージ・エラリー・ヘール賞を授与しました。パーカーはヘイル賞の初代受賞者となった。ヘイル (ジョージ・エラリー・ヘイル、1868-1938) の天文学上の業績は太陽物理学に重点が置かれていましたが、天文学に対する彼の最大の貢献は、数十年にわたって世界を席巻した 2 つの大型望遠鏡を建造するための資金を調達したことでした。

図 18: ハイアール |出典: パブリックドメイン

1979年、パーカーは英国王立天文学会よりチャップマンメダルを受賞した。このチャップマンは、高温コロナが優れた熱伝導性を持つことを証明した前述のチャップマンです。

1989年、パーカーはアメリカ国家科学賞を受賞した。 1990年、パーカー氏は米国地球科学界最高の賞であるウィリアム・ボウイ賞を受賞した。 1992年、パーカーは王立天文学会の金メダルを受賞した。 1997年、パーカーはブルース・メダルを受賞した。 2003年、パーカー氏はプラズマ物理学に顕著な貢献をした学者に贈られるジェームズ・クラーク・マクスウェル賞を受賞した。

2018年、パーカーは「過去60年間にわたる宇宙物理学、プラズマ物理学、天体物理学への根本的な貢献」により、アメリカ物理学会から研究における卓越した業績を称えるメダルを受賞した。[6]

2020年、パーカーは生涯最後の賞であるクラフォード天文学賞を受賞しました。この賞は生涯功労賞とみなすことができます。

クラフォード賞は、スウェーデンの実業家で慈善家のホルガー・クラフォード（1908-1982）とその妻が設立した財団によって1980年に授与され、受賞者の選考はスウェーデン王立科学アカデミーが担当している。クラフォード賞は1982年に初めて授与されました。

ある意味、この賞はノーベル賞よりも受賞が難しい賞です。2000年以前は、この賞は毎年、天文学、数学、生物科学、地球科学のいずれかの分野にのみ授与されていました。それ以来、関節炎の分野での研究に対する報奨金が追加されたため、ある分野が研究の番を迎えるまでに4年かかることも珍しくありません。 2008 年以前は、天文学者は天文学と数学のどちらかしか選択できず、6 年ごとに天文学者と数学者を交代しなければなりませんでした。 2008年以降は天文学者と数学者が同時に賞を獲得できる。

1985年から現在までの37年間で、天文学におけるクロフォードメダルを受賞した天文学者はわずか12人です[7]。そのうち3人は後にノーベル物理学賞を受賞し[8]、残りの9人も関連分野の権威ある学者となっている。この賞は「太陽風と恒星および銀河規模の磁場に関する先駆的かつ基礎的な研究」に対して授与された。[9]

パーカーはノーベル賞を受賞しなかったが、数々の賞、特に天文学のクラフォード賞は、彼の「無冠の王」としての崇高な地位を確固たるものにした。

パーカーと「パーカー」が出会う

2017年、NASAはパーカー氏の同意を得て、「ソーラー・プローブ・プラス」の名称を「パーカー・ソーラー・プローブ」に変更し、宇宙に打ち上げられることとなった。以下ではこれを「パーカー」と呼び、パーカーという人物と区別するために引用符を使用します。

15億ドルのパーカーミッションは、コロナを加熱して太陽風粒子を加速するエネルギーの流れを直接検出し、太陽風が発生する領域の磁場の特性を判定し、高エネルギー粒子がどのように加速され輸送されるかを判断することです。

スタッフが「パーカー」を保管しているクリーンルームに持ち込み、2匹を「会わせる」と、人々はパーカーと「パーカー」が出会った感動の瞬間を目撃した。

パーカーを打ち上げたロケットはユナイテッド・ローンチ・アライアンス（ULA）のデルタIVヘビーロケットで、これは世界で2番目に大きな積載量を誇り、打ち上げ1回あたりの費用は約4億ドルである。打ち上げ前に、パーカー氏はNASAの当時の副長官トーマス・ザーブッヘン氏とULAのCEOトリー・ブルーノ氏に同行され、ロケットの前に儀礼的に招かれ、ロケットと一緒に写真を撮った。

図 19: パーカーが打ち上げられる前に、パーカー (中央) はロケット発射台の前でトーマス・ザーブッヘン (左) とトリー・ブルーノ (右) と一緒に写真を撮りました。出典: ビル・インガルス/NASA

2018年8月12日、「パーカー」は宇宙に打ち上げられ、パーカー自身もその場にいてその出来事を目撃した。計画によると、「パーカー」は太陽の周りを26周し、そのうち7周目、金星に近づく際には金星の重力を利用して軌道を変え、徐々に太陽に近づき、太陽コロナを直接通過する。太陽表面に最も近づく距離はわずか約600万キロメートルになります。

図 20: 2018 年 8 月 12 日午前 3 時 31 分、デルタ IV ヘビー ロケットがケープ カナベラルからパーカーを宇宙に打ち上げました。出典: ビル・インガルス/NASA

図21：2018年8月12日午前3時31分、パーカーは発射場でパーカーの打ち上げを目撃した。出典: ビル・インガルス/NASA

2021年4月、パーカーは初めて太陽コロナを通過し、人類史上初めて太陽に「触れた」探査機となった。

図 22: 太陽に近づくパーカーの芸術的構想 |出典: ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所

人生をかけて太陽の秘密を解明しようとしてきたパーカーは亡くなりましたが、「パーカー」は今もその秘密の探求を続けています。数年後、パーカーはミッションを完了しましたが、パーカーと彼の発見、そして学術的遺産は人類とともに永遠に残るでしょう。

NASA本部の太陽物理学グループのディレクター、ニコラ・フォックスはパーカーが存命だったときにこう語った。「パーカー博士はもうこの世にいませんが、彼の発見と遺産は永遠に生き続けるでしょう。」[10]

図 23: パーカー |出典: https://www.youtube.com/watch?v=WH_TC9VzMUA&t=37s

注記

[1] 原文は次のとおりです：子どもの頃、私は物事がどのように機能するかを学ぶのがとても好きでした。

[2] フィッツジェラルドの最も有名な研究の一つは、相対性理論における「フィッツジェラルド収縮公式」です。

[3] 原文は「パーカーには、論文を書く前に図書館に行ってこのテーマについて調べてみるよう勧めたい。まったくのナンセンスだから」です。

[4]https://news.uchicago.edu/story/eugene-parker-legendary-figure-solar-science-and-namesake-parker-solar-probe-1927-2022

[5] そのうち、ApJ、AJ、Solar Physics、Space Science Reviews、Astrophysics and Space Scienceなどの天文学雑誌にそれぞれ117件、2件、12件、6件、9件の論文が掲載されました。それぞれ 23 件と 20 件の論文が JGR や Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics などの地球物理学ジャーナルに掲載されました。 PRシリーズ、Physics of Fluids、PPCF、Physics of Plasmasなどの物理学ジャーナルにそれぞれ16件、6件、3件、1件の論文が掲載されました。また、PNASやNatureなどの総合誌にもそれぞれ1件ずつ論文が掲載されました（Natureに掲載された他の3件はレビュー論文です）。

[6] 原文は「60年以上にわたる宇宙物理学、プラズマ物理学、太陽物理学、天体物理学への基礎的貢献に対して」です。

[7] 天文学におけるクラフォードメダルの受賞者は、ライマン・スピッツァー、アラン・サンデージ、フレッド・ホイル、エドウィン・アーネスト・サルペター、ジェームズ・E・ガン、ジェームズ・ピーブルズ、マーティン・リース、ラシッド・アリエヴィッチ・スニヤエフ、ラインハルト・ゲンツェル、アンドレア・M・ゲズ、ロイ・カー、ロジャー・ブランドフォード、パーカーです。

[8] ピーブルズは2019年のノーベル物理学賞を受賞した。ゲンツェルとキースが2020年のノーベル物理学賞を受賞した。

[9] 原文は「恒星から銀河スケールまでの太陽風と磁場の先駆的かつ基礎的な研究」である。

[10] 原文は「パーカー博士はもうこの世にいないが、彼の発見と遺産は永遠に生き続けるだろう」である。

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。