2機の宇宙船が、65年来の宇宙の謎、つまり太陽の大気はなぜあんなに熱いのか、の解明に役立つ画期的な測定結果を提供した。太陽の大気はコロナと呼ばれます。それはプラズマと呼ばれる帯電したガスで構成されており、温度は摂氏約100万度です。太陽の表面温度は摂氏約6,000度しかないため、その温度は永遠の謎です。太陽のエネルギーは中心部の核炉から供給されており、熱源から遠ざかるほど自然に温度が下がるため、コロナは表面よりも低温になるはずです。しかし、コロナの温度は表面の150倍以上高い。動作中のプラズマにエネルギーを伝達する別の方法があるはずですが、それは何ですか?
ソーラー・オービターのメティス装置によって捉えられたこの画像では、コロナとして知られる太陽の外層大気が宇宙に広がっているのが見えます。 Metis は、可視波長と紫外波長の両方で動作する多波長デバイスです。これはコロナグラフであり、太陽の表面からの明るい太陽光を遮断し、コロナ内の粒子によって散乱された暗い光を可視化することを意味します。この画像では、ぼやけた赤いディスクはコロナグラフを表し、白いディスクは画像サイズを圧縮して不要なダウンリンク データの量を削減するために使用されるマスクです。画像クレジット: ESA および NASA/Solar Orbiter/Metis Group。 D. テローニら。 (2023年)
理論的および調査上の課題
太陽大気中の乱流は、コロナ内のプラズマの大幅な加熱を引き起こすのではないかと長い間疑われてきました。しかし、この現象を研究する際、太陽物理学者は現実的な問題に直面しました。それは、必要なすべてのデータを 1 台の探査機だけで収集するのは不可能だということです。
太陽を研究するには、リモートセンシングとその場測定の 2 つの方法があります。リモートセンシング測定では、宇宙船を離れたところに配置し、カメラを使用して太陽とその大気をさまざまな波長で観察します。現場測定では、探査機が調査したい領域の上空を飛行し、空間のその部分の粒子と磁場の測定を行います。
どちらの方法にもそれぞれ利点があります。リモートセンシングは大規模な結果を表示できますが、プラズマ内で発生するプロセスの詳細を表示することはできません。同時に、その場測定はプラズマ内の小規模プロセスに関する非常に具体的な情報を提供できますが、これらのプロセスが大規模プロセスにどのような影響を与えるかを示すことはできません。
デュアル宇宙船調査
全体像を把握するには、2 機の宇宙船が必要です。それはまさに太陽物理学者が現在、ESA主導のソーラー・オービター宇宙船とNASAのパーカー太陽探査機によって実現していることだ。ソーラーオービターは、リモートセンシング操作や現場測定を実行しながら、太陽にできる限り近づくように設計されています。パーカー太陽探査機は、太陽自体のリモートセンシングをほぼ諦め、その代わりに太陽に近づいて現場で測定を行っています。
しかし、それらの相補性を最大限に活用するには、パーカー・ソーラー・プローブがソーラー・オービターの機器のいずれかの視野内になければなりません。このようにして、ソーラー オービターは、パーカー ソーラー プローブの現場測定によって生成された膨大な量のデータを記録できます。
ESA のソーラー オービターは、近距離で太陽を研究する 2 つの補完的な宇宙船のうちの 1 つであり、NASA のパーカー太陽探査機のミッションに加わります。画像クレジット: 太陽探査機: ESA/ATGmedialab;パーカー太陽探査機: NASA/ジョンズ・ホプキンス APL
天体物理学の調整
イタリア国立天体物理学研究所 (INAF) トリノ天体物理観測所の研究者であるダニエレ・テロニ氏は、ソーラー・オービターのメティス装置を支えるチームのメンバーです。 Metisは太陽表面からの光を遮断してコロナを撮影するコロナグラフです。それは大規模な測定に最適な機器だったので、ダニエルはパーカー太陽探査機がいつ並ぶかを調べ始めました。
彼は、2022 年 6 月 1 日に 2 つの宇宙船がほぼ正しい軌道配置になることを発見しました。基本的に、ソーラー オービターは太陽を観察しますが、パーカー ソーラー プローブは横に離れて、非常に近いですが、メティス装置の視野のすぐ外にあります。
ダニエルは問題を見たとき、パーカー太陽探査機を視野に入れるには、ソーラー・オービターを少し操作するだけで済むことに気づきました。それは、ソーラー・オービターを45度回転させ、太陽からわずかに離れる方向に向けることです。
しかし、宇宙ミッションのあらゆる動きは事前に注意深く計画されており、宇宙船自体は、特に恐ろしい太陽の熱に対処する場合には、非常に特定の方向のみを向くように設計されています。宇宙船運用チームがそのような逸脱を承認するかどうかは不明だ。しかし、科学的な成果の可能性が誰の目にも明らかになると、決定は明白に「イエス」でした。
ESAのソーラー・オービター・ミッションは、太陽に最接近する際に水星の軌道内から太陽に面することになる。画像出典: ESA/ATGmedialab
画期的な観測
回転とたわみは続きました。パーカー太陽探査機が登場し、2 台の探査機が初めてコロナの大規模構造とプラズマの微小物理的特性を同時に測定しました。
データセットの分析を主導したダニエル氏は、「この研究は非常に多くの人々の貢献の結果です」と述べた。彼らは協力して、コロナ加熱速度の最初の包括的な観測とその場推定値を作成した。
「ソーラーオービターとパーカーソーラープローブを同時に使用できることは、この研究にまったく新しい次元をもたらします」と、論文の共著者であるアラバマ大学ハンツビル校のゲーリー・ザンク氏は述べた。
ダニエルは、新しく測定された速度を太陽物理学者による長年の理論的予測と比較することにより、乱流をエネルギー伝達のモードとして特定する点で太陽物理学者がほぼ確実に正しいことを示した。
太陽に近づくパーカー太陽探査機のアーティストのコンセプト。画像出典: NASA/JohnsHopkinsAPL/SteveGribben
乱流がこの効果を生み出す仕組みは、朝コーヒーをかき混ぜるときに起こることと似ています。流体 (気体または液体) のランダムな動きを刺激することにより、エネルギーがより小さなスケールに伝達され、最終的にエネルギーが熱に変換されます。コロナでは流体も磁化されるため、蓄積された磁気エネルギーも熱エネルギーに変換されます。
より大きなスケールからより小さなスケールへの磁気エネルギーと運動エネルギーの移動が乱流の本質です。最小スケールでは、波が最終的に個々の粒子 (主に陽子) と相互作用し、それらを加熱します。
結論と啓発
太陽加熱の問題を解決するには、さらに多くの研究を行う必要がありますが、ダニエレの研究のおかげで、太陽物理学者は初めてこのプロセスを測定しました。
「これは科学初です」とプロジェクトサイエンティストのダニエル・ミュラー氏は語った。