物理学者たちが太陽風を研究するために高温プラズマドーナツを作った

日焼けや温かいビーチをもたらすという評判とは裏腹に、太陽は決して心を癒す場所ではありません。華氏1万度を超える高温の渦巻く大気の中間層からは、プラズマと呼ばれる荷電粒子が噴き出します。これらの粒子は恒星の磁場によって揺さぶられ、激しいジェットとなって太陽系に吹き出します。こうして生まれた粒子の流れは太陽風と呼ばれ、冥王星の軌道をはるかに超えて四方八方に吹き荒れます。地球は、自身の磁場によってこの衝撃を常に防いでいます。地球の大気圏に突入する比較的少数の粒子は、南北極付近で輝くオーロラとして現れます。

しかし、科学者たちは太陽がどのように太陽風を発生させるのか、まだ正確には解明していません。当然のことながら、恒星の内部を詳細に研究することは困難です。そこで、衛星や宇宙探査機から得られるデータを補完するため、ウィスコンシン大学マディソン校の物理学者たちは最近、直径3メートルにも及ぶ、太陽風のミニチュア版のような挙動を示す、輝くドーナツ型のプラズマを作り出しました。「私たちは地球上で、宇宙にあるものと非常によく似たプラズマを作り出しているのです」と、このプロジェクトに関する論文の筆頭著者である大学院生のイーサン・ピーターソン氏は述べています。「これは、実験室で宇宙物理学を研究するための、実にクールで実践的な方法です。」

プラズマを生成するために、研究者たちは「ビッグ・レッド・ボール」と呼ばれる球形の容器にヘリウムガスを充填した。電界を用いて中性ヘリウム原子から電子を剥ぎ取り、ガスを青く輝くプラズマに変えた。次に強力な磁石を当て、プラズマを渦巻かせた。ピーターソン氏によると、この物質は15万度を超える温度に達したという。しかし、心配する必要はない。このプラズマは1ミリグラム未満のヘリウムイオンで構成されており、指ぬき一杯分の水を温めるほどのエネルギーさえも持っていなかったのだ。

物理学者キャリー・フォレスト率いるピーターソン氏と彼の同僚たちは、この物質を用いて太陽風のいくつかの際立った特徴を模倣できることを発見した。特に注目すべきは、パーカー・スパイラルと呼ばれる構造を再現できたことだ。パーカー・スパイラルでは、回転する散水機から水滴が飛び散るように、太陽からプラズマの流れが噴き出す。フォレスト氏の研究グループはまた、このドーナツ型物体からプラズモイドと呼ばれる細長いプラズマの塊を噴出させることに成功した。実際の太陽はこれらの塊を約90分に1回、太陽風に噴出させている。マディソン・ドーナツ型物体は1秒間に約2万回噴出させている。太陽がなぜ一定の周期で周期的に運動するのかは誰も理解していないとピーターソン氏は言うが、今後この実験モデルを用いた研究によって手がかりが得られるかもしれない。

「この実験は、太陽風に少しでも似た現象を作り出した初めての例です」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の物理学者マルコ・ヴェッリ氏は述べている。ヴェッリ氏は今回の研究には関わっていない。フォレスト氏は、チームの成功の一因として、強力な磁場を維持し、極寒の温度にも耐えられるサマリウムコバルト磁石の開発を挙げている。ヴェッリ氏はさらに、科学者たちは地球ベースのモデルを利用できるようになったことで、「理論モデルが妥当かどうかを理解するのに役立つ」と付け加えた。

プラズマドーナツを使った実験は、NASAのパーカー・ソーラー・プローブ・ミッションが収集するデータの解読にも役立つ可能性があります。昨年8月に打ち上げられたこの探査機は、今後7年間で太陽の周りを24周し、周回ごとに内側に螺旋状に進んでいきます。すでに、これまでのどの人工物よりも太陽に近づいており、最終的には太陽表面から400万マイル（約640万キロメートル）以内まで接近し、太陽の大気圏をかすめることになります。

探査機の任務の一つは、アルヴェン点の探査です。アルヴェン点とは、太陽大気において、噴出するプラズマの圧力が初めて磁場の閉じ込め力を克服する領域です。太陽物理学者たちは、この境界で実際に何が起こるのか、つまり太陽風がどのように生まれるのかを解明したいと考えています。「遷移層こそが非常に興味深いのです」とフォレスト氏は言います。

マディソンチームはプラズマドーナツ内のアルヴェン層を特定し、プラズモイドもそこで形成されたことを発見した。「パーカー・ソーラー・プローブがこの点に到達すれば、同様の現象が見られるだろうと期待しています」とピーターソン氏は言う。

このモデルは実際の太陽風とはいくつか重要な点で異なるとヴェッリ氏は言う。例えば、プラズマが太陽から放出される際、恒星の重力と外層からの熱がプラズマの運動に影響を与える。フォレスト氏のグループは実験室規模ではどちらの現象も再現できず、せいぜい電気と磁石を使ってシミュレーションするのが精一杯だ。

それでも、このプラズマを安定的に生成できるようになった今、彼らはそれを微調整することで太陽風にさらに近づけることができる。ピーターソン氏によると、現状ではプラズマ内の個々の粒子があまりにも頻繁に衝突しているという。こうした衝突を減らすには、プラズマをさらに高温にする必要がある。（プラズマの温度が上昇すると、内部の粒子の動きが速くなるため、不思議なことに、粒子同士が衝突する可能性が実際に低下する。）渦巻く制御された輝きの中で、彼らはついに太陽がどのように息を吐き出しているのかを解明できるかもしれない。

WIREDのその他の素晴らしい記事