65年来の宇宙の謎を解く

ソーラー・オービターのメティス装置からのこの画像では、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、コロナ内の粒子を散乱させる微弱な光を目に見える状態に残します。 この画像では、ぼやけた赤いディスクはコロナを表し、白いディスクは画像サイズを圧縮してダウンリンクに関連する不要なデータの量を減らすためのマスクです。 画像クレジット: ESA および NASA/Solar Orbiter/METIS チーム。 博士.. ティローニら (2023)

宇宙の位置合わせといくつかの探査機の演習により、太陽の大気がなぜ温暖化しているのかという65年来の宇宙の謎を解くのに役立つ画期的な測定結果が得られた。

太陽の大気はコロナと呼ばれます。 として知られる帯電したガスで構成されています。 プラズマ その温度は約100万度です 摂氏。

太陽の表面温度は摂氏約6,000度しかないため、その温度は常に謎に包まれています。 太陽のエネルギーは中心部の核炉から供給されており、熱源から離れ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であるはずです。 しかし、コロナは表面の150倍以上高温です。

エネルギーをプラズマに伝達する別の方法があるはずですが、何でしょうか?

理論と調査の課題

太陽大気の乱流がコロナ内のプラズマの大幅な加熱につながる可能性があると長い間疑われてきました。 しかし、この現象を調査しようとすると、太陽物理学者は現実的な問題に直面します。それは、必要なデータをすべて 1 台の探査機で収集することは不可能であるということです。

太陽を探索するには、リモートセンシングとその場での測定という 2 つの方法があります。 リモートセンシングでは、宇宙船を一定の距離に配置し、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。 現場測定の場合、探査機は探査したい領域を飛行し、空間のその部分の粒子と磁場の測定を行います。

どちらのアプローチ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示しますが、プラズマ内で発生するプロセスの詳細は示しません。 一方、その場での測定は、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しますが、これが大規模プロセスにどのような影響を与えるかは示していません。

宇宙船内での二重調査

全体像を把握するには、2 機の宇宙船が必要です。 そして、それはまさに太陽物理学者が現在、欧州宇宙機関とNASAのパーカー太陽探査機によって操縦されているソーラーオービター宇宙船の形で得ているものです。 ソーラー オービターは、太陽にできるだけ近づきながら、リモート センシングやその場での測定を実行できるように設計されています。 パーカー太陽探査機は、太陽そのもののリモートセンシングをほとんど無視して、太陽に近づいてその場で測定を行います。

しかし、それらの補完的なアプローチを最大限に活用するには、パーカー太陽探査機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 プローブがその場で測定した結果の大規模な結果を記録することができました。

ESA のソーラー オービターは、近距離で太陽を研究する 2 つの統合宇宙船のうちの 1 つであり、すでにそのミッションに参加していた NASA のパーカー太陽探査機に加わります。 出典: Solar Orbiter: ESA/ATG メディアラボ; パーカー太陽探査機: NASA/ジョンズ・ホプキンス APL

天体物理学的調整

トリノの天体物理天文台にあるイタリア国立天体物理学研究所（INAF）の研究者であるダニエレ・テロニ氏は、太陽周回衛星メティス装置の背後にあるチームの一員です。 Metis は太陽表面からの光を遮断し、コロナを撮影するコロナグラフです。 これは大規模な測定に使用するのに最適なツールであるため、ダニエレはパーカー ソーラー プローブが並ぶ時間を探し始めました。

2022 年 6 月 1 日には、2 つの宇宙船がほぼ正しい軌道配置になることが判明しました。 基本的に、ソーラーオービターは太陽を観察し、パーカーソーラープローブはすぐ横にあり、劇的に近いですが、METS機器の視野の外にあります。

ダニエレが問題を見たとき、パーカー ソーラー オービターに光を当てるには、ソーラー オービターを少し練習するだけで十分であることに気づきました。つまり、ソーラー オービターを 45 度回転させ、太陽から少し離れた方向に向けるということです。

しかし、宇宙ミッションのあらゆる操作が事前に注意深く計画されており、宇宙船自体が非常に特定の方向のみを向くように設計されている場合、特に太陽の恐ろしい熱に対処する場合には、宇宙船運用チームがそのような操作を許可するかどうかは明らかではありませんでした。 。 偏差。 しかし、誰もが科学的利益の可能性について明確になった後、決定は明確に「イエス」でした。

ESAのソーラー・オービター・ミッションは、最接近時に水星の軌道内から太陽に遭遇する。 出典: ESA/ATG メディアラボ

ハックノート

ロールとオフセットステアリングが進みました。 パーカー太陽探査機が視野に入り、探査機は一緒になって、太陽コロナの大規模な組成とプラズマの微小物理的特性の初めての同時測定を行いました。

「この研究は多くの人々の貢献の結果です」とデータセットの分析を主導したダニエレは言います。 彼らは協力して、コロナ加熱速度の初の共同観測およびその場推定を行うことができた。

「ソーラー・オービターとパーカー・ソーラー・プローブの両方を使用できるようになったことで、この研究は全く新しい次元を開拓しました」と、米国ハンツビルにあるアラバマ大学のゲイリー・ザンク氏は述べ、論文の共著者でもある。

ダニエル氏は、新たに測定した速度と太陽物理学者が長年にわたって行った理論的予測を比較することで、太陽物理学者がエネルギー伝達の手段として乱流を特定したことがほぼ正しいことを示した。

太陽に近づくパーカー・ソーラー・プローブ宇宙船のアーティストのコンセプト。 画像クレジット: NASA/ジョンズ・ホプキンス APL/Steve Gribben

この障害がこれを行う具体的な方法は、朝のコーヒーをかき混ぜるときに起こることと何ら変わりません。 気体であれ液体であれ、流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。 太陽コロナの場合、流体も磁化されるため、蓄積された磁気エネルギーも熱に変換できます。

このような磁気エネルギーと運動エネルギーの大きなスケールから小さなスケールへの移動が乱流の本質です。 最も小さなスケールでは、ゆらぎが最終的に個々の粒子、主に陽子と相互作用し、それらを加熱することができます。

結論と影響

太陽加熱の問題が解決されたと言えるまでには、さらに多くの研究が必要ですが、ダニエルの研究のおかげで、太陽物理学者はこのプロセスの最初の測定を行うことができました。

「これは科学初です。この研究は、コロナ加熱の問題を解決する上で重要な前進を示しています」とプロジェクト科学者のダニエル・ミュラーは述べています。

ソーラーオービターはESAとESAの国際協力による宇宙ミッションです。 NASA、欧州宇宙機関によって管理されています。