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コロナループとは、磁力線に沿って太陽表面の上空に現れる、湾曲したプラズマの円弧のことだ。磁力線は荷電粒子の高速道路のような役割を果たし、プラズマを構成する電子やイオンの動きを誘導している。このループは非常に強力で、太陽表面から10万キロメートル上空まで移動し、数分から数時間続くことがある。

しかし、コロナループには、科学者が解読を試みている数多くの基礎的な要因がある。このたび、カリフォルニア工科大学の科学者たちは、実験室で小さなコロナループを作り、太陽の力学を詳しく理解することに成功した

専門家によると、コロナループは順調に成長・進化していくが、時には突然切れて、宇宙や地球に向かって大量のエネルギーを放出することがあるそうだ。このエネルギーの奔流は、地球上で目撃された最も強力な核爆発の何十億倍もの威力を持つ可能性があるという。

コロナループが切れると、高エネルギー粒子やX線を伴う強力な太陽フレアが発生する。この太陽フレアは、軌道上にある人工衛星などの通信システムを損傷させる可能性がある。しかし、地球の磁場は、このような有害なエネルギーバーストから地球上の生命を守っている。

しかし、太陽フレアの際に、太陽がどのようにしてこのような高速の高エネルギー粒子やX線を発生させるのか、科学者たちはよく分かっていないのだ。

「太陽観測では、高エネルギー粒子や硬X線を検出するが、粒子加速が観測分解能よりも小さなスケールで起こるため、その発生メカニズムを明らかにすることが出来ない。したがって、高エネルギー粒子と硬X線の発生を説明するクロススケール物理の詳細は謎のままである」と論文で述べられている。

このような複雑な構造を持つ太陽を研究することは困難であるため、科学者たちは実験室で模倣することにした。今回の実験では、宇宙を駆け巡る高エネルギー粒子の発生原因を解明しようとしたのだ。

バナナサイズのコロナループを作る

カリフォルニア工科大学のPaul Bellan氏を中心とする研究チームは、コロナループ現象を再現するために、双子の電極を備えた真空チャンバーを作成しました。

この装置には、過剰なエネルギーを蓄えるためのコンデンサーが搭載されている。そして、そのエネルギーを電極を通して放電させ、ミニチュアの太陽コロナループを作り出したのだ。

ループの長さは20センチ、直径は1センチで、10マイクロ秒程度である。放電されたループは、専用の高速カメラで撮影され、科学者たちはマイクロ秒単位で処理すること出来た。

その結果、これまでの謎の一部を解読することができたのだ。

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実験用プラズマループ進化の時系列画像 (Credit: Zhang et al., Nat.Astron., 2023)

最近の知見によると、太陽コロナループは一本ではなく、大きなロープのような編み込み構造である可能性があるという。

「ロープを分解してみると、1本1本が組み合わさってできていることがわかります。その一本一本を引き離すと、さらに小さな一本一本の三つ編みになっていることがわかります。プラズマループも同じような仕組みのようです」と、Zhang氏は述べている。

その結果、X線バーストの原因は、このループにあることがわかったのだ。プラズマは強い導体なので、ループの中を電流が流れるが、時々、ホースに水を流しすぎるように、ループの容量を超える電流が流れる。

そうすると、ループの中でコルク栓のような不安定な状態が発生し、1本1本が折れ始め、残りの1本にさらに圧力がかかることが、研究チームの画像から分かった。

この研究の共著者であるSeth Pree氏は声明で、「きつく引き伸ばされたゴムバンドのように、ループは長くなり、やせ細り、ついには糸が切れてしまいます」と述べている。

鎖が切れると、X線のバーストと同時に、水道のホースによじれがあると圧力が下がるのと同じように、マイナスの電圧が発生する。この電圧降下がプラズマ中の荷電粒子を加速し、荷電粒子が減速するときにX線が放出されるのだ。

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太陽上のコロナループ(上)と実験室内のコロナループ(下)の比較。どちらもよじれの不安定性が生じて折れ、X線が発生する。(Credit: Zhang et al., Nat.Astron., 2023)

研究チームは、太陽のコロナループの画像を調べて、研究室で観測されたものと同様の不安定性がX線バーストにも関連していることを突き止め、片方はバナナ大、もう片方は地球全体を飲み込むほどの大きさであっても、この二つの現象は同じ方法で作られたことを示唆しました。

このことは、この種の構造が、太陽フレアに伴う高エネルギー粒子やX線バーストの発生に重要な役割を果たす可能性を示唆している。この装置を使って、科学者たちはプラズマループの調査を続け、雄大な太陽のダイナミクスを解き明かしていく事だろう。


論文

参考文献

研究の要旨

太陽フレアは、高エネルギー粒子や硬X線を伴う激しい電磁波のバーストである。太陽大気で磁束のループが発生した際に発生する。太陽観測では、高エネルギー粒子や硬X線が検出されるが、粒子加速が観測分解能よりも小さなスケールで起こるため、その発生メカニズムを明らかにすることができない。このため、高エネルギー粒子や硬X線の発生を説明するクロススケール物理の詳細は謎のままである。ここでは、太陽コロナループの物理をシミュレートした実験室での観測結果を紹介する。2eVプラズマの編組磁束ロープにおいて、磁気流体力学(MHD)キンクまたは磁気レイリーテイラー不安定性によって編組ストランド半径が運動スケールになるように絞られると、過渡的で局所的な7.6keV X線バーストと数kVの電圧スパイクが観測された。この一連の観測から、太陽高エネルギー粒子やX線バーストの発生に関与していると考えられる、MHDから非MHD物理へのクロススケールカップリングが明らかになりました。このメカニズムの本質的な構成要素は、すべて太陽コロナで個別に観測されている。

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