SW德丸 宗利 教授

岩井 一正 准教授

藤木 謙一 助教

独自に開発した大型電波望遠鏡を用いた観測から、宇宙天気や地球環境に大きな影響を与える太陽風の謎を解明する。
太陽と地球の間は物質が存在していないように見えますが、実は太陽から吹き出す超高温のプラズマの流れで満たされています。このプラズマ流は太陽風（Solar Wind）と呼ばれます。太陽風は超音速のスピードで太陽から常時四方八方へ拡がり、太陽系の惑星すべてを包み込んでいます。そして、太陽風は地球軌道半径の約100倍の距離で恒星間を流れるガス流と接していると考えられています。太陽風が星間ガスの中に作る空間が太陽圏(Heliosphere)です。太陽圏では、太陽の磁気活動を反映して激しい変動が絶えず起こっていて、それらは地球周辺の宇宙環境に大きな影響を与えています。太陽風によって時々刻々変化する宇宙環境の状態は、最近では宇宙天気（Space Weather）と呼よばれ、注目されるようになりました。それは、人工衛星や無線通信、電力設備が宇宙天気によって深刻な障害を受けることがあるからです。また、太陽風の影
響は地表近くまで及んでいることも知られており、地球の気候変動との関連性も示唆されています。したがって、太陽風についてより正確な理解が重要になっています。太陽風と類似した現象（恒星風）は他の天体でも見つかっており、多くの天体がもつ共通の性質と考えられます。太陽風は、こういった宇宙に普遍的な現象を間近で観測することができる利点があります。私たちの研究室では独自に開発した観測装置（大型電波望遠鏡群）を使って太陽風を地上から遠隔測定し、その３次元構造や生成機構・太陽活動に伴う変動現象の研究を行っています（研究室の略称SWは、Solar Windの略）。

惑星間空間シンチレーションによる太陽風の観測
太陽風は非常に高温（約10万度）ですが、その密度は極めて低い（地球軌道で粒子数は1㎤あたり10個程度）ため、それ自体が放射する電磁波を捉えることはできません。よって、太陽風を観測するには探査機を用いるのが一般的です。しかし探査機による観測は1点でしかなく、限られた数の探査機では広大な太陽圏の全貌を明らかにすることはできません。そこで私たちが観測に用いているのが、天体電波源の“またたき”現象を用いる方法です。この“またたき“現象は、惑星間空間シンチレーション（Interplanetary Scintillation; IPS）と呼ばれ、太陽風中にあるプラズマ密度のゆらぎによって生じます。太陽風の密度ゆらぎによって発生した電波強度の変動パターンは、太陽風の流れに伴って地上を動いていくので、この強度変動パターンを地上に配置した複数のアンテナで同時に観測してやると、太陽風の速度が測定できます。また、IPSの強さは太陽風プラズマの密度に関する情報を与えてくれます。IPS観測には、探査機による観測と比べ優れた点がいくつかあります。まず、高感度の電波望遠鏡を用意すれば多くの天体電波源についてIPS観測をすることができるので、色々な場所での太陽風のデータを短時間に取得することができます。広大な太陽圏の全域をモニターしながら、変動現象を効率よく検出することが可能になるのです。さらに、IPS観測は探査機では観測が困難な太陽のごく近傍や高緯度の太陽風を測ることができます。
惑星間空間シンチレーションによる太陽風観測

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IPS 観測専用の多地点大型電波望遠鏡システムの開発

太陽風の生成機構は、未だ解明されていない大きな謎です。現在研究者を悩ませているのは、太陽風を駆動するエネルギーがどこからくるかという点です。最初、太陽風は100万度以上のコロナの持つガス圧により太陽の重力を振り切って流出するというモデルが提唱されました。しかし、その後の研究からコロナのガス圧では太陽風を説明できないことが判っています。特に、コロナホールと呼ばれる低温・低密度領域からより高速な太陽風が吹き出すという観測事実は説明が最も難しい点です。この他、太陽風が300-400km/sの低速成分と700-800km/sの高速成分で構成されるという性質（2成分性）の原因、太陽風がどこでエネルギーを得て超音速になるかという加速場所の問題、低速風の発生源はどこかという問題など、太陽風生成機構に関する謎は尽きません。SW研究室のこれまでの研究からは、太陽の磁場特性が太陽風加速を大きくコントロールしていることが判ってきています。

理学研究科

太陽風流源面における速度分布（上）と光球面磁場（下）の関係。上下をつなぐ線 は コ ロ ナ 磁 場 の 磁 力 線 を 示 す。
（Tokumaru, 2013）

研究室の構成SW研究室では、独自にIPS観測専用の大型電波望遠鏡システムを開発し、太陽風データを収集しています。それらの電波望遠鏡は豊川（愛知）、富士山麓（山梨）、木曽（長野）の国内３箇所に設置されています。これらの望遠鏡は、いずれも我が国最大級の受信面積を有しています。例えば、富士の電波望遠鏡の受信面積は約2000㎡、豊川にある新しい電波望遠鏡は約3500㎡です。何故このような面積が必要なのかというと、元々天体電波源からの信号は非常に微弱で、IPSのシグナルは電波源自体の信号に比べさらに小さいため、それを検出するには高感度の受信システムが必要だからです。またIPSは速い変動を示すことから時間積分によって感度を向上させることができません。SW研究室の高感度な電波望遠鏡では、1日に数多くの電波源についてIPS観測が可能です。
また本望遠鏡の高感度な特性を活かし、最近ではパルサーの観測も行っています。今後さらにシステムの感度を高めるように開発を行っています。

太陽風生成機構の研究

はじめにHeliospheric Plasma Physics

宇宙天気予報の実用化に向けた研究

CT 解析による太陽風 3 次元構造の復元

特異な太陽活動に伴う太陽風の変動に関する研究

Webページ: http://stsw1.isee.nagoya-u.ac.jp/
連 絡 先：tokumaru＠isee.nagoya-u.ac.jp（徳丸）アクセス

写真の説明 :
左より（1）研究室メンバー、（2）木曽観測施設における一般公開の様子、（3）セミナー中の様子、（4）富士観測所における観測システムの開発作業 、（5、6）豊川観測所での保守・調整作業

学生生活

太陽活動11年周期に伴う太陽風速度分布の変化（Tokumaru, 2013）現在の太陽活動は、過去100年来と言われる低いレベルになっています。
１７世紀にも太陽活動が長期間低下した時期（マウンダー極小期）があり、その期間には地球の気候が寒冷化したことが知られています。しかし太陽活動と地球寒冷化のメカニズムは未だよく判っておらず、Missing Linkとも呼ばれます。今回の太陽活動の低下に伴って、どんな変化が地球周辺に生じるかは、Missing Linkを解明する重要な手がかりとなります。最近のIPS観測からは、太陽風の分布や特性が過去とはかなり異なっていることが判ってきました。SW研究室では、太陽風が今後どの様に太陽風が変化してゆくかをIPS観測から正確に捉えることで、Missing Linkの謎に迫ってゆこうとしています。

論文一覧
学生の声

実用化に向けて開発が進むIPSデータを取り込んだリアルタイム太陽圏シミュレーション（Iwai et al, 2019）

環境学研究科

SW研究室が持っているもう一つのユニークな技術は、IPS観測データによる太陽風のCT解析です。CTとは計算機トモグラフィー（Computerassisted Tomography）の略で、医療分野での応用が有名です。IPS観測で得られる太陽風データは視線に沿った積分値ですが、SW研究室で開発したCT解析法を使うと、IPS観測で得られたデータから太陽風の３次元構造が復元できます。これまでの研究から、CT解析によって得られた結果は飛翔体による観測ともよく一致していることが示され、その信頼性の高さが確認されています。このCT解析はSW研究室の研究に活用され、次に述べる太陽風生成機構や惑星間空間擾乱、宇宙天気予報の研究でいくつもの成果を生んできました。。

工学研究科

豊川に建設された UHF 電波望遠鏡（SWIFT）

太陽表面での爆発現象は太陽大気の一部を宇宙空間に向けて吹き飛ばします。この現象はコロナ質量放出（Coronal Mass Ejection; CME）と呼ばれ、地球周辺に到来すると電波通信や人工衛星・航空機の航行、GPS測位など、社会生活に様々な影響を与えるため、到来前に予報することが重要です。しかし、CMEが惑星間空間でどう分布し、どの様に伝搬するかについては、まだよくわかっていません。IPS観測は惑星間空間を伝搬中のCMEを効率良く検出することができます。SW研究室では宇宙天気予報を行う研究機関と共同でIPS観測データを取り込んだCME伝搬モデルの開発を行っています。これまでの研究から、IPS観測データを取り込むことでCMEの到来予測精度が向上することが明らかになっていきました。現在、このモデルを用いた宇宙天気予報の実用化に向けた開発が進められています。

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