問題に終止符は打てるか

皆既日食のときに、太陽の周囲に、真珠色に淡く輝く部分が見える。これは「コロナ」と呼ばれる高温の大気で、その温度は100万度にもなる、猛烈な熱さをもつ。

ところが、太陽の表面の温度は6000度しかなく、さらにコロナは太陽表面から数百kmから数千kmも離れている。にもかかわらず、なぜコロナは太陽の表面より、100倍以上も高温になっているのだろうか。

この不思議な現象は「太陽コロナ加熱問題」として、数十年間にわたって多くの研究者を悩ませ続け、そして現在も未解決のままだ。

その謎を探るべく、国立天文台と宇宙航空研究開発機構(JAXA)宇宙科学研究所は、2013年に日本の太陽観測衛星「ひので」と、米国の太陽観測衛星「IRIS」(アイリス)による共同観測を実施し、さらにスーパー・コンピューター「アテルイ」による数値シミュレーションを組み合わせた研究が行われ、そして2015年8月24日、その研究成果が発表された。

はたして、太陽コロナ加熱問題に終止符は打てるのだろうか。

連載の第1回では、「太陽コロナ加熱問題とはなにか」について紹介した。第2回では、今回発表が行われた、2013年に実施された「ひので」とIRISによる共同観測と、スパコン「アテルイ」による数値シミュレーションの結果からわかったことについて紹介した。

最終回となる今回は、その「ひので」とIRIS、アテルイによる共演でも解けきれなかった謎と、今後の太陽観測の展望について紹介したい。

解けきれなかった謎

この「ひので」とIRIS、そしてアテルイの共演により、太陽コロナ加熱が波動加熱によって起きている、観測的証拠を初めて捉えられたことになる。これはコロナ加熱問題の解明へつながる重要な成果である。

しかし、それでもまだ、問題そのものの決着はつかないという。

たとえば太陽コロナの温度はおよそ100万度もあるが、今回の観測でわかったのは、プロミネンスの温度が「1万度から10万度」に上がるということだけで、はたして100万度まで波動加熱で加熱されるのかどうかはわからないという。

これには、そこまで加熱されていない可能性もあれば、衛星の性能が足らず観測できていない可能性、またプロミネンスの手前や背景にある、より高温な構造が邪魔をして捉えられていない可能性などが考えられており、今後の研究課題だという。

また、すべてのプロミネンスがコロナの加熱に寄与しているのか、それとも一部だけなのか、といったこともまだわかっていない。

プロミネンスがあり、そこに波があれば、今回の結果のような加熱が起きることは、おそらく間違いないとのことだが、そもそもプロミネンスの波がどのように発生しているのかも、まったくわかっていない。太陽面から磁力線が出ているところが揺れれば波になるが、第2回で触れたように、磁場そのものは見えないことから、今のところ観測はできていないという。

そしてもうひとつ重要なのは、第1回で触れたように、太陽コロナ加熱問題には波動加熱と並んで、「ナノフレア加熱説」という仮説もあるが、今回の結果はナノフレア加熱説を否定するものではない、という。

今回の結果は、あくまで「波動加熱が起きていることが初めて観測できた」ということであり、波動加熱が100%正しいかどうか、ナノフレアによる加熱はおきていないのか、といったこととは、また別問題であるためだ。

現在、世界中の研究者がナノフレア加熱説の研究も行っており、いくつか結果も出てきている。たとえばNASAの観測ロケットによる観測結果からは、ナノフレア加熱説の証拠ではないか、と考えられるデータも出てきているという。

つまり今の段階では、どっちが正解かということはわかっていない。

また、おそらくはどちらも正解であり、たとえば最終的には「波動加熱が7割、ナノフレア加熱が3割」といったように、「太陽コロナ加熱は複合的な原因で起きている」として結論づけられるのでは、と考えられているという。

そしてSOLAR-Cへ

こうした解け切れない謎を解くためには、「ひので」以上に、もっと高性能な太陽観測衛星が必要となる。そこで現在、日本が主体になって、米国や欧州の研究者らと共同で「SOLAR-C」という新しい太陽観測衛星の検討が進められている。ちなみに「ひので」の開発名は「SOLAR-B」で、BからC、つまり「ひので」直系の後継機となる。

清水さんによると、SOLAR-Cによって、コロナ加熱問題については「今考えられるレヴェル」では、答えを出すところまで迫りたいという狙いで検討を進めているという。「今考えられるレヴェル」というのは、たとえばコロナ加熱問題には、まだ誰も予想すらしていないほどの、さらに奥深い謎が潜んでいる可能性もあるためだ。

コロナ加熱問題の解決に向けて、SOLAR-Cには次の3つの能力をもたせることが検討されているという。

まず1つ目は、望遠鏡の高い空間分解能(細かく見る能力)である。今回の研究で、共鳴吸収は1000kmほどの非常に小さい空間スケールで起きているということがわかった。つまりその詳細を今以上に知るためには、「ひので」よりも細かく見る能力が必要となる。

2つ目は加熱の現場の観測である。前述したように、今回の研究では、波動加熱によってプロミネンスが1万度から10万度に上がっている様子は捉えられたものの、100万度、数百万度というコロナがどうやってできているのか、それが波からできているのか、といったことまでは捉えられていない。そこで10万度から100万度、数百万度の範囲を、抜け目なくきちんと観測できる能力が必要になってくる。

そして3つ目は、彩層の磁場を詳細に測る能力である。現在の「ひので」やIRISでは、彩層の磁場がどれぐらいの強さや密度をもち、時間とともにどう変化しているかを見ることができない。岡本さんは「磁場のことがわからないと、コロナ加熱問題は解けない」と言う。

磁場の直接計測は「ひので」でも行われているが、これは太陽表面の光球のみで、その上の彩層にある磁場を見る機能はない。彩層では磁場が急激に弱くなるため、そこを精密に計測するには高い技術力が必要となるが、SOLAR-Cでぜひとも実現させたいという。

現在、SOLAR-Cはまだ検討段階にあり、正式なプロジェクトとして認定されたわけではないが、今後正式にプロジェクト化され、開発も順調に進めば、2019年にも打ち上げられる予定となっている。

新しい手法と技術で太陽を見る「CLASP」

もちろん、SOLAR-Cにこうした機能をもたせることは簡単なことではない。今まで見えなかったものを見ようというのだから、より高い技術で造られた観測機器が必要になるし、あるいは今まで衛星には使われていなかったような、新しいタイプの観測機器も必要になるかもしれない。そうした機器をいきなり本番の衛星に積むわけにはいかないので、SOLAR-BからSOLAR-Cの橋渡しとなる、技術の実証試験が必要となる。

そこで現在、日本や米国、欧州が共同で、「CLASP」(クラスプ)というプロジェクトを進めている。CLASPは、新しいタイプの望遠鏡を使い、彩層や遷移層の磁場を計測するための新しい観測手法と技術の、検証と確立を目指している。

CLASPの望遠鏡で見るのは、紫外線域にある「ライマンα線」という波長121.6nmの輝線だ。ライマンα線を使って太陽を見ると、彩層から少し高いところのプラズマから出ている水素の線を見ることができる。

さらにCLASPは、ライマンα線をただ観測するだけではなく、ライマンα線が偏光する様子を観測しようとしている。太陽の上空に磁場などがあると、プラズマが偏光するという現象が起こることが知られており、その偏光を観測することによって、上空の磁場の強さや方向が検出できると見られている。CLASPは、本当にそれが検出できるかを実験するために行われる。

CLASPは、NASAの観測ロケット「ブラック・ブラントIX」に搭載され、大気圏外を弾道飛行する。ライマンα線は大気で吸収されてしまうため、観測するには装置を宇宙空間にもって行かなければならないためだ。観測ロケットは「ひので」やIRISのような人工衛星ではなく、軌道には乗らないので、観測できる時間はわずか5分弱と短いが、衛星よりも手軽に実験ができる。

岡本さんは「ライマンα線で撮影に成功するだけでも『サイエンス』誌に載るほどの大きな成果」という。また、ライマンα線を見ることで、彩層の磁場を十分な制度で観測できるということが実証されれば、SOLAR-Cをはじめ、将来の太陽観測衛星に搭載するための道が開かれることになる。

太陽コロナ加熱問題を解明する日を目指し、挑戦はまだまだ続く。

追記:CLASPはこの記者会見の11日後、山岳部夏時間2015年9月3日11時1分(日本時間9月4日2時1分)に、米国ニュー・メキシコ州のホワイトサンズから打ち上げられた。打ち上げは成功し、観測も問題なく実施され、多くの素晴らしいデータが送られてきたという。現在はまだデータの解析が進められている段階のため、何か新しい発表があり次第、また紹介したい。

参考

・http://hinode.nao.ac.jp/news/1508Hinode-IRIS/
・http://www.nao.ac.jp/news/science/2015/20150824-hinode.html
・http://hinode.nao.ac.jp/panf/
・http://hinode.nao.ac.jp/news/1508Hinode-IRIS/Press2015_dist_Hinode-IRISrev.pdf
・http://www.nasa.gov/feature/goddard/iris-and-hinode-stellar-research-team