ソーラーオービターが太陽風が磁気の力を受ける様子を明らかに

太陽風は荷電粒子が磁場の変動で加速された結果。レールガンの弾が荷電粒子ということ？以下、機械翻訳。
ソーラーオービターが太陽風が磁気の力を受ける様子を明らかに
2024年8月29日
欧州宇宙機関/科学と探検/宇宙科学/太陽探査機
ESA のソーラー・オービターは、太陽風を加熱し加速させるエネルギーはどこから来るのかという何十年にもわたる疑問に答える重要なデータを提供した。NASA のパーカー・ソーラー・プローブと連携して作業するソーラー・オービターは、この流出に必要なエネルギーが太陽の磁場の大きな変動から来ていることを明らかにした。

太陽風は、太陽の大気（コロナと呼ばれる）から逃げて地球を通り抜ける、絶え間なく吹き出す荷電粒子の流れです。太陽風が地球の大気と衝突することで、空に色鮮やかなオーロラが現れます。

「高速」太陽風は 500km/s 以上の速度で移動します。これは、なんと時速 180万 km に相当します。不思議なことに、この風は太陽のコロナからより低速で出るため、遠ざかるにつれて何かが速度を上げます。100万度の風は、地球上で山を登るときに感じる空気のように、体積が大きくなり密度が低くなるにつれて自然に冷えます。しかし、この効果だけから予想されるよりもゆっくりと冷えます。

では、太陽風の最も速い部分を加速し、加熱するために必要なエネルギーは何から得られるのでしょうか? ESA のソーラーオービターと NASA のパーカーソーラープローブのデータは、その答えがアルヴェン波として知られる太陽の磁場の大規模な振動であるという決定的な証拠を示しています。

「この研究以前にもアルヴェーン波は潜在的なエネルギー源として示唆されていたが、決定的な証拠はなかった」と、マサチューセッツ州のハーバード大学およびスミソニアン天体物理学センターの共同筆頭著者であるイェイミー・リベラ氏は言う。


磁気波が高速太陽風のエネルギー源となる
地球の大気のような通常のガスでは、伝達できる波は音波だけです。しかし、太陽の大気のようにガスが異常な温度に加熱されると、プラズマと呼ばれる帯電状態になり、磁場に反応します。これにより、アルヴェン波と呼ばれる波が磁場内に形成されます。これらの波はエネルギーを蓄え、プラズマを通じて効率的に運ぶことができます。

通常のガスは、蓄積されたエネルギーを密度、温度、速度の形で表します。しかし、プラズマの場合は磁場もエネルギーを蓄えます。ソーラー オービターとパーカー ソーラー プローブはどちらも、磁場を含むプラズマの特性を測定するために必要な機器を搭載しています。

2機の探査機は太陽から異なる距離で、また非常に異なる軌道で運用されているが、2022年2月に、探査機は偶然にも同じ太陽風の流れに沿って並んだ。

太陽コロナの最外縁、太陽から半径13.3倍（約900万キロ）離れた場所で活動するパーカーが最初に太陽風の流れを横切った。太陽半径128倍（8900万キロ）で活動するソーラー・オービターが、その1、2日後に太陽風の流れを横切った。「この研究は、太陽からの旅のさまざまな段階で同じ太陽風の流れをサンプリングした2機の探査機の非常に特別な配置のおかげで可能になった」とイェイミー氏は言う。

この稀な配列を最大限に活用して、研究チームは 2 つの異なる場所での同じプラズマ流の測定結果を比較しました。研究チームはまず、測定結果を 4 つの主要なエネルギー量に変換しました。その中には、波動エネルギー フラックスと呼ばれる磁場に蓄積されたエネルギーの測定結果も含まれていました。

エネルギーは生成も破壊もされず、ある形態から別の形態に変換されるだけなので、研究チームはパーカーの測定値をソーラー・オービターの測定値と比較しました。研究チームはこの比較を、磁気エネルギー項の有無の両方で行いました。

「パーカーの波動エネルギーフラックスを考慮しなければ、ソーラーオービターのエネルギー量に匹敵しないことがわかりました」と、マサチューセッツ州ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの共同筆頭著者サミュエル・バッドマン氏は語る。

パーカーが流れを測定した太陽の近くでは、全エネルギーの約 10% が磁場に存在していた。ソーラー オービターでは、この数値はわずか 1% にまで低下したが、プラズマは加速し、予想よりもゆっくりと冷却された。

数値を比較した結果、研究チームは、失われた磁気エネルギーが加速に力を与え、自ら加熱することでプラズマの冷却を遅らせていると結論付けた。


コロナのスイッチバック（左下）
データはまた、スイッチバックと呼ばれる磁気配置が風の加速にどれほど重要であるかを示している。スイッチバックは太陽の磁力線の大きな偏向であり、アルヴェン波の例である。スイッチバックは1970年代の最初の太陽探査機以来見られてきたが、パーカー・ソーラー・プローブが2021年に太陽コロナを通過した最初の探査機となり、スイッチバックがまとまって合流していることを検出して以来、その検出率は劇的に増加している。

この新たな研究により、これらのジグザグ状の領域には、高速太陽風の加速と加熱の不足部分を補うのに十分なエネルギーが含まれていることが確認された。

「この新しい研究は、太陽のパズルの大きなピースを巧みにまとめ上げています。ソーラー・オービター、パーカー・ソーラー・プローブ、その他のミッションによって収集されたデータの組み合わせにより、さまざまな太陽現象が実際には連携してこの並外れた磁気環境を形成していることがますます明らかになっています」と、ESAのソーラー・オービタープロジェクト科学者ダニエル・ミュラー氏は語っています。

そして、それは単に太陽系について教えてくれるだけではありません。「太陽は宇宙で風を直接測定できる唯一の星です。ですから、太陽について学んだことは、少なくとも太陽型の他の星、そしておそらく風のある他のタイプの星にも当てはまる可能性があります」とサミュエルは言います。

研究チームは現在、分析を拡張してより遅い太陽風に適用し、太陽の磁場エネルギーがそれらの加速と加熱にも役割を果たしているかどうかを調べる作業を進めている。

編集者向け注記Yeimy Rivera、Samuel T. Badman、その他に
よる「太陽風を加熱・加速する大振幅アルヴェン波の現場観測」が本日Science に掲載されました。

ソーラー・オービターは、ESA と NASA の国際協力による宇宙ミッションであり、ESA が運営しています。