NASAの太陽への挑戦

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

私たちの太陽は全宇宙で最もよく観測されている星です。

私たちは毎日、その光を見ています。何世紀にもわたり、科学者たちは太陽の輝く表面を斑点のように染める黒点を追跡してきました。そしてここ数十年、宇宙と地上の望遠鏡は、電磁スペクトルにまたがる波長の太陽光線を精査してきました。実験では太陽の大気を嗅ぎ、太陽風のパフを捉え、太陽ニュートリノや高エネルギー粒子を収集し、太陽の磁場をマッピングしてきました。とはいえ、太陽内部の磁気構造を理解する鍵となる極域を実際に観測できていないため、その試みはまだ行われていません。

しかし、これほど精査されたにもかかわらず、一つの重大な疑問が恥ずかしいほど未解決のまま残っていた。太陽の表面は6000度という灼熱の温度だが、コロナと呼ばれる大気圏の外層は、さらに100万度も高温になることがあるのだ。

4月8日に北米大陸の広い範囲で起こった皆既日食では、この灼熱のガスの層を見ることができます。皆既日食の軌道上にいると、月が影を落とす太陽の周りに輝く光輪としてコロナが見えるかもしれません。

今年のハローは、2017年の北米日食の時とは違って見えました。太陽活動が活発になっているだけでなく、私たちが観測した構造は、私たち太陽を研究する科学者たちがようやく理解できるようになったものです。太陽を遠くから観測するだけでは、コロナを熱する原因を解明するには不十分でした。この謎やその他の謎を解くには、太陽に接近する宇宙探査機が必要でした。

その宇宙船、NASAのパーカー・ソーラー・プローブは2018年に打ち上げられました。太陽の周りを周回し、太陽コロナに出入りしながら、太陽大気内の小規模な磁気活動が太陽コロナを想像を絶するほど高温にしている様子を示すデータを収集してきました。

表面から鞘へ

焙煎コロナを理解するには、まず磁場を考慮する必要があります。

太陽の磁気エンジンであるダイナモは、太陽表面から約20万キロメートル下にあります。このエンジンが回転することで太陽活動が活発化し、約11年周期で増減します。太陽活動が活発になると、太陽フレア、黒点、アウトバーストの強度と頻度が増加します（現在、太陽活動極大期にあたり、まさにこの現象が起こっています）。

太陽表面では、スーパーグラニュールと呼ばれる渦巻く対流セルの境界に磁場が蓄積されます。これはコンロの上で沸騰する油の鍋の中の泡のように見えます。絶えず沸騰する太陽表面は、これらの磁場をセルの端に集中させ、強化します。そして、増幅された磁場は太陽プラズマと相互作用し、過渡的なジェットやナノフレアを発生させます。

磁場は太陽の表面から噴き出し、より大規模な現象を引き起こすこともあります。磁場が強い領域では、暗い黒点や巨大な磁気ループが見られます。ほとんどの場所、特に太陽コロナ下部や黒点付近では、これらの磁気アークは「閉じた」状態にあり、両端が太陽に接しています。これらの閉じたループは、非常に小さなものから日食時に見られるような劇的で燃えるようなアークまで、様々な大きさがあります。

他の場所では、このようなループが引き裂かれることがあります。太陽の灼熱のコロナは超音速太陽風の源です。太陽風は荷電粒子の流れで、太陽系の周囲に巨大な保護バブルを形成します。太陽圏は既知の惑星の遥か彼方まで広がっています。これらの粒子は磁場を運び、時には深宇宙まで到達します。そうなると、磁気ループは太陽圏の端まで伸び、「開いた」磁場と呼ばれる状態になります。

これらの磁気プロセスが何らかの形で連携してコロナを加熱しているはずだということはわかっていましたが、その仕組みはどのようなものだったのでしょうか?

長年にわたり、科学者たちは超高温コロナの現象について様々な説明を提唱してきました。その中には、太陽大気を流体とみなし、流体中で起こる熱伝達、つまり乱雑で乱流のあるカスケードが大きな熱源から小さな熱源へと熱を運ぶという説明をするものもありました。また、太陽表面で発生した磁気波が絶えず揺らぎ、大気中に熱を放出している、あるいは粒子レベルで何らかの運動学的不安定性が働いているという説もありました。

1988年、シカゴ大学の天体物理学者ユージン・パーカーは、太陽表面の対流（渦巻く細胞）がコロナにまで伸びる磁場を絡ませ、太陽大気中に磁気エネルギーを蓄積・蓄えると主張した。パーカーによると、これらの磁力線が必然的に切れて再び繋がると、蓄えられた磁気エネルギーは太陽大気へと伝達される。そこでエネルギーは大気を高温に加熱し、ナノフレアを発生させるという。（パーカーは1958年、過熱したコロナが太陽風の源であるという仮説も提唱した。当時は広く嘲笑されたものの、パーカーの考えは正しく、太陽物理学の分野の基礎となった。）

パーカーの考えは理にかなっていましたが、彼の説明も含め、どの説明も検証あるいは反証するのに十分なデータがありませんでした。私たちが太陽を研究していた方法は、その課題に十分対応できるものではありませんでした。

新たな希望

転機は2005年、ブリティッシュコロンビア州ウィスラーで数百人の太陽科学者が会合を開いた時に訪れました。私はその会合の議長を務めました。太陽と太陽風を研究する各コミュニティの、しばしばばらばらのアプローチを統合しようと、意図的にこの役割を引き受けたのです。

それまで、太陽コミュニティは主に地上望遠鏡、ロケット、あるいは欧州宇宙機関（ESA）が主導するSOHOのような衛星による太陽の遠隔観測に焦点を当ててきました。SOHOは、打ち上げ直後から運用が続けられているESA/NASA共同ミッションです。一方、太陽風コミュニティは、NASAの高度太陽風探査機Advanced Composition Explorer（ACOM）や、太陽の極域を通過するESA/NASA共同ミッションであるユリシーズなどの衛星を用いて、拡張コロナのサンプルを収集・分析することに尽力していました。今回の会議の目的は、これらの新しい観測所から得られる、しばしば分断されがちな成果を統合し、高温コロナの謎とそれが太陽風を加速させる仕組みを解明する手がかりとなるかどうかを検討することでした。

この時点で、太陽の磁気が予想外の挙動を示していることが分かっていました。SOHOのデータは、太陽磁場が地球規模で私たちの想像をはるかに超えて変動していることを明らかにしていました。また、地球近傍で測定された太陽風を構成する粒子は、予測されていたように太陽表面から直接吹き出しているのであれば意味をなさない特異な組成パターンを示していました。太陽大気中の何らかの磁気活動が太陽風、そしてコロナの熱を生み出しているように思われましたが、その仕組みを説明できるモデルはありませんでした。

会議での議論は長く白熱したものでしたが、重要な決定の土台が築かれました。太陽に近づく観測を、概念的には「ソーラー・プローブ」と呼ばれるミッションで行うことが必要不可欠だったのです。会議室の前には、太陽近傍の過酷な環境に耐えられる探査機の模型が置かれていました。40年にわたる構想を経て、ついに実現の時が来ました。2017年、私がNASAの科学部門責任者に就任して間もなく、私の推薦に基づき、NASAはユージン・パーカーにちなんでミッション名を改名しました。そして、パーカー・ソーラー・プローブとなりました。

太陽に触れる

ユージン・パーカーは、2018年にケープカナベラルからデルタIVヘビーロケットに搭載されたパーカー・ソーラー・プローブが轟音とともに空へと舞い上がるのを見守った。打ち上げ後、彼はこの宇宙船に自分の名前を冠する栄誉に感謝し、珍しく率直にこう付け加えた。「あの忌々しい同僚たち――自分のアイデアを嘲笑し、危うくキャリアを失わせそうになったあの忌々しい同僚たち――がまだ生きていて、この光景を目にしていたらよかったのに」と。

探査機は金星フライバイを利用して太陽に徐々に接近し、2021年4月28日に初めてコロナに接触しました。これにより、太陽に最も近い探査機となり、これまでに打ち上げられた人工物の中で最速の探査機となりました。（実際、3月には18回目の太陽通過を成功させており、その速度はワシントンD.C.からロサンゼルスまで約20秒、地球から月まで36分で到達できる速度です。）

期待通り、探査機による太陽近傍観測はコロナ加熱の理解にとって画期的なものでした。この観測は、太陽に極めて近い太陽風の磁気特性を解読することでこの問題を解決しました。これは、コロナ炉の仕組みを解明する鍵となるものです。

地球の近くから見ると、太陽風は乱流流体のように見え、太陽と最も大きなスケールでのみ関係が緩やかです。しかし、近くから見ると、その構造は太陽表面の構造を直接反映しています。太陽近傍の太陽プラズマは、無秩序な流体ではなく、太陽表面の対流性超粒子の大きさに一致する流線状に外向きに噴出します。対流性超粒子とは、磁場が集中し、増幅し、コロナへと逃げていく細胞です。

各太陽軌道で、宇宙船はそれらのストリームレットを通り抜け、プラズマに浸透しコロナの熱の発生源を示す磁気活動の決定的な痕跡を発見した。「スイッチバック」と呼ばれるこれらの痕跡は、局所的に測定された磁場の短時間の反転によって形成されたS字構造である。このようなスイッチバックは（少なくともほとんどの科学者によれば）、閉じた磁気ループが開いた磁気ループと衝突して接続するときに形成されるが、これは交換再結合イベントとして知られている。ボトルに入った良質のシャンパンのように、絡み合った閉じた磁気ループからエネルギーとプラズマを解放する唯一の方法は、ループを壊して開いて開いた磁力線に再接続することによって栓を抜くことである。これらの再結合イベントは熱を発生させ、太陽物質を宇宙空間に放出し、それによってコロナを温め、太陽風内の粒子を加速する。

一部の科学者はこの問題が完全に解決されたとは確信していないものの、現在、この分野ではパーカーの1988年の説明が正しかったという結論に収束しつつある。コロナ加熱は究極的には小規模な磁場に依存している。太陽表面の対流粒子は磁場をその端に集中させ、一連の事象を引き起こし、それが大気中の磁気相互作用を通じて超音速太陽風と、私たちが目にする数百万度の高温につながる。

パーカー・ソーラー・プローブは今年後半、自身の記録を更新し、太陽にさらに接近する予定です。太陽の未解明の謎を解き明かすため、地獄と地獄の旅が再び始まります。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。