テキサス州ほどの大きさのプラズマ「砲弾」が太陽の最大の謎の一つを解明する助けになるかもしれない

太陽の表面で激しい戦いが繰り広げられている。波状のスパイクが何千マイルもの高さまで上昇し、プラズマ爆弾が太陽黒点の端で爆発する。現在、太陽研究者は、私たちの最も近い恒星の武器庫に、テキサス州ほどの大きさの熱と光の球という別の武器を発見したかもしれない。

天体物理学ジャーナルレターズ誌の最近の報告によると、これらの球体は太陽の表面とコロナ（大気）の間のプラズマを横切って飛んでいる。観測を行った太陽物理学者は、球体が弧を描くように飛んでいることから（そして、おそらく、響きがすごくかっこいいからだろう）、これを「砲弾」と名付けた。この未確認の現象は、太陽の上層大気の異常な温度など、プラズマ物理学の謎を説明するのに役立つかもしれない。

太陽の彩層で活動が起きる。彩層は光球（目が見えなくなる部分）の終わりから始まり、コロナ（日食のときに見えるかすかな大気）まで広がる。しかし、この遷移層がどのように機能するかは正確にはわかっていない。温度は、わずか数千マイルの間に、冷たい華氏1万度から焼けつくような数百万度まで、不可解なほど上昇するのだ。

「なぜ気温がこれほど急激に変化するのかは、依然として大きな問題です」と、中国国立天文台の博士課程の学生で、この論文の共著者でもあるシャオホン・リー氏は言う。「これは、すべての太陽物理学者が解決しようとしている問題です。」

リー氏と共同研究者たちは、さまざまな高解像度太陽望遠鏡で撮影された数十時間分の映像をじっくりと鑑賞し、彩層の水素が発する特定の色合いの緋色の光に注目することで、この謎めいたプラズマ層を詳しく知るようになった。6か月間、研究チームは毎日ビデオをダウンロードし、手がかりを求めて徹底的に調査した。「誰でも見つけられたはずです」とリー氏は言う。「人々は細かいことにそれほど時間をかけません。」

2018年春、国立天文台の教授であるジャン・チャン氏が福県太陽観測所の太陽望遠鏡の映像で初めて飛んでくる大砲の弾を見つけたとき、彼はそれが録画のほんの一瞬の出来事だろうと疑った。しかし、望遠鏡のアーカイブを1か月間調べた後、彼は2つ目の例を見つけた。チームがこうした出来事をいくつか集めて初めて、彼は興奮し始めたと同氏は言う。彼らは最終的に20個の大砲の弾を見つけ、おそらく40個の球体が一度に彩層を通過していると推定している。

直径約700マイル、時速約125,000マイルで飛ぶこの塊は、熱とエネルギーを豊富に含んでいる。研究者らは、太陽の磁気エネルギーが、リコネクションと呼ばれる激しくもあまり理解されていない現象で砲弾を打ち上げているのではないかと提唱している。太陽のうねる表面は、強力な磁場を彩層まで弧を描くように送り、異なる方向を向いた2つの弧がぶつかると突然折れ、その後新しい方向で連結する。大気圏の上層では、こうした爆発のより強力なバージョンが太陽フレアやコロナ質量放出を引き起こす。研究チームがビデオクリップをNASAの太陽観測衛星の高レベル磁場画像と相互参照したところ、リコネクションが砲弾に動力を与え、磁場の弧に沿って砲弾を飛ばしているという理論を大まかに裏付けるものを見つけた。

しかし、他の太陽科学者は、詳細な磁気測定がなければ、キャノンボールはキャッチーな名前に値しないかもしれないと言う。マックス・プランク太陽研究所の太陽圏科学者、ミヒール・ファン・ノールトによると、はっきりと解像できないほど小さい特徴は球状に見える可能性があり、実際の高度データがなければ、その上昇と下降の挙動は推測の域を出ない。彼は、その特徴は地表から投げ出された実際の物質の塊ではなく、彩層のプラズマを転がるありふれた波なのではないかと考えている。そのようなプラズマパルスは、再結合のような珍しいものを必要としないと彼は言う。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の太陽物理学者で、NASAの現在のパーカー太陽探査機ミッションの観測科学者でもあるマルコ・ベリ氏も同様の疑問を抱いている。同氏によると、砲弾の速度は彩層のプラズマ波の速度に近く、もっと例がなければ両者を区別するのは難しいという。

しかし、彼はこの結果に興味をそそられ、人工知能を使って太陽の映像をより広範囲に調査するなど、その後の調査でさらに多くの事例が見つかることを期待している。さらに調査を進めて、磁気再結合が大砲弾の原因であることが証明されれば、それは、比較的エネルギーの少ない穏やかな環境で再結合がどのように起こるかを知るための重要な手がかりとなるだろう。再結合がどのように太陽の大気にエネルギーと物質を放出するかをより深く理解することは、この現象がコロナの加熱にどの程度寄与しているかを解明するのにも役立つだろう。

物理学者は再結合についてあらゆる洞察を得る必要があるとヴェリ氏は強調するが、それは太陽を理解するためだけではない。再結合の詳細な理解が欠如していることは、核融合からエネルギーを生成する際にも大きな障害となる。核融合炉はプラズマを制御するために、強力で安定した非再結合性の磁場を必要とする。「[再結合]は普遍的なプロセスです」と同氏は言う。「重要なのです」