NASA、太陽の謎の層を一目見る

太陽の大気圏の中層に運ばれたと想像してみてください。太陽の表面、科学者が光球と呼ぶ「目に見える円盤」は、あなたの下で沸騰し、華氏1万度にまで加熱された真っ赤なプラズマとなっています。あなたの上には、数百万度にまで加熱されたガスの大気オーラである広大なコロナが広がり、熱、光、磁気、そして放射性粒子を爆発的な勢いで宇宙空間に放出しています。コロナは科学者にとって長年謎に包まれてきました。その下層よりもはるかに高温なのです。太陽表面からコロナに向かって外向きに移動するということは、キャンプファイヤーから離れて、炎のそばに座っていた時よりもさらに強い熱を感じるようなものです。

あなたは今、この 2 つの研究対象となっている層に挟まれた太陽の大気圏の一部である彩層に浮かんでいます。この彩層は、皆既日食の際に地球から見えるピンク色の閃光から、「色の球」と呼ばれています。間近で見ると、あのピンク色の閃光は、太陽の巨大な地平線まで続く沸騰する水素プラズマの海です。しかし、彩層では、もう 1 つのより支配的な力が発揮されています。それが太陽の磁場です。この磁場は、太陽の表面のはるか下で、太陽系最大規模の熱と自転であるダイナモ効果によって生成されます。太陽の磁場は巨大ですが、その内層では、その力は過熱したプラズマの圧力によって導かれ、制御され、沸騰するトマトスープのように熱を外向きに対流させます。

しかし、紫外線メガネをかけると、興味深いものが見えるでしょう。彩層に昇るにつれて、過熱プラズマの相対的な力は急速に弱まりますが、磁場は比較的強いままです。高く見上げるほど、磁気の力が支配的になります。光球では、磁場がプラズマを押しのけ、巨大なループ状に外側に爆発します。ループの根元は、太陽黒点と呼ばれる黒い領域にまで達します（光球では、黒点の一つ一つは地球ほどの大きさです）。これらの磁気ループは、プラズマや他の磁気ループと相互作用しながらねじれ、ずれ、ダイナミックで混沌とした環境を作り出します。これは、9300万マイル離れた地球にも影響が及ぶほどの、強大な過熱騒乱です。

もちろん、太陽の大気圏内で目撃するものは仮説に過ぎません。彩層が私たちを一瞬で蒸発させてしまうからというだけでなく、科学者たちは何十年もの間、その中で何が起こっているのか正確に推測するしかなかったからです。光球やコロナとは異なり、彩層は観測が非常に難しく、したがって地図を作ることも困難です。「本当に分かりにくい場所です」と、NASAの彩層分光偏光計2号ミッション（クラスプ2）の主任研究者であるデビッド・マッケンジー氏は言います。クラスプ2号は、太陽を観測するために一時的に大気圏上空を通過し、その後、機器とデータをパラシュートで地球に投下した観測ロケットです。「だからこそエキサイティングなのです。太陽の大気圏のまさに真ん中にあるフロンティアなのですから」

マッケンジー氏は、2月にScientific Advances誌に掲載された新論文の共著者である。この論文は、2019年にClasp2衛星が収集したデータに基づき、太陽磁場の新たな紫外線画像化技術を用いて、彩層の磁場を4層にわたってマッピングすることに初めて成功したものだ。日本、欧州、米国の研究チームが執筆したこの論文は、コロナが過熱する仕組みに関する理論を裏付けるものと思われる。科学者たちは、これらの新たなマッピング技術を用いることで、太陽から放出されるコロナ質量放出（CME）や「宇宙天気」（地球や宇宙の技術に衝突すると混乱を引き起こす巨大な磁場と放射性物質の場）を、よりリアルタイムで理解できるようになると考えている。

新たなマッピングデータは、ロケットが地球から170マイル（約270キロメートル）上空を太陽を追跡しながら周回するわずか150秒で収集されました。このデータを収集するために、研究チームは分光偏光計を搭載した特殊な望遠鏡を製作しました。この装置は、太陽の彩層の非常に薄く短い領域における紫外線の磁気偏光を読み取ります。科学者たちはこのデータを、共同観測衛星「ひので」が太陽の同じ領域で取得した光球の測定値と組み合わせました。

科学者たちは、磁場に敏感な特定のイオンからの光の円偏光と波長シフトを引き起こすゼーマン効果を利用した。鉄、マグネシウム、マンガンに関連する波長の偏光を測定することで、太陽表面から彩層、そして下部コロナに至るまでの磁場の強度を推定し、光球、彩層、そしてコロナの底部を結び付けながら、磁場がどのように弧を描き、ループを形成するかを包括的に描き出すことができた。このデータは、太陽表面に沿った単一の軌跡、つまり情報の糸を描いているに過ぎない。科学者たちは、分光偏光測定装置を用いてさらに「通過」させることで、太陽大気の断面全体を3次元地図に編み込むことができると考えている。

「温度が高い上層彩層の勾配では、磁場も高くなるという明確な証拠です」と、Clasp2ミッションの主任研究者の一人であり、主任理論物理学者で、論文の共著者でもあるスペイン、カナリア天体物理学研究所のハビエル・トルヒージョ・ブエノ氏は述べています。「この相関関係は、太陽大気の外層の加熱を生み出す物理的メカニズムが磁気に起源を持つという考えを明確に示しています。」

これらの発見は、太陽の爆発的なエネルギーを磁場がCMEや宇宙天気として解き放つ仕組みに関する現在の理論と一致していました。「太陽の磁場ループは輪ゴムのようなものだと考えてください」とマッケンジー氏は言います。「輪ゴムをねじったり伸ばしたりすると、模型飛行機を飛ばせるほどのエネルギーを蓄えることができます。」磁場も同様です。磁場はプラズマや他の磁場と相互作用しながらねじれたり伸びたりすることでエネルギーを蓄え、それが極度の熱、光、そしてコロナの爆発という形で放出されます。

しかし、磁気ループはそれぞれ異なります。「ある磁気ループはカリフラワーのように退屈かもしれませんが、別のループは弾丸を込めた銃のようなものです」とマッケンジー氏は言います。Clasp2で実現したような高度な分光偏光計による画像化は、科学者が理論（磁気ループがエネルギーを放出する可能性がある）の理解から、その磁気ループがいつ、どの方向に「爆発」するかを予測する段階へと飛躍するのに役立つかもしれません。

こうした予測モデルを構築するには、科学者たちは150秒以上のデータ収集が必要となる。「もしClasp2に搭載されているような観測装置を、地球の周りを何年も周回する宇宙望遠鏡に搭載できたら、どんなことができるか想像してみてください」とトルヒージョ・ブエノ氏は言う。「これは太陽物理学の近い将来の目標となるはずです。」

彩層の磁場とその太陽コロナへの直接的な影響をリアルタイムでモデル化できれば、NASA、米国海洋大気庁（NOAA）、その他の機関は、宇宙天気予報の精度向上に活用できる情報を得ることができます。これは重要な課題です。なぜなら、大規模な太陽フレアやCME（大気圏外衝突）によって放出される放射磁気は、通信を遮断し、衛星に損傷を与え、アメリカの電力網をつなぐ巨大な変圧器を文字通り溶かしてしまう可能性があるからです。

だからこそ、Clasp2の成果は非常に刺激的だ。理論は確固たるものだった。太陽物理学者たちは理論を完璧に検証し、9300万マイル（約1億4000万キロメートル）離れた場所からデータを着陸させたようだ。「宇宙ミッションの壮大なスケールで見れば、この観測ロケットは非常に小さなミッションでした」と、NASAでClasp2のプロジェクトサイエンティストを務めたNOAAの太陽科学者、ローレル・ラックメラー氏は語る。「しかし、その小さなミッションで、人類がこれまで見たことのないデータを収集し、これまで仮説しか立てられなかった太陽に関する事実を学ぶことができました。この特定のケースにおいて、私たちはまさに人類の知識の最前線にいるのです。」

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