第１０回 森羅万象学校「太陽の変動性と地球・惑星」
2010 年2月22-24日
北海道 支笏湖

４６億年の太陽史
once upon a time….
The Faint Young Sun Paradox
Piet Martens
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

常田佐久
国立天文台

太陽全面画像
悠久の時間輝き続ける太陽と言われているが。。

2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

2

once upon a time….

太陽は暗かった！

太陽光度Kasting
et al, Scientific American, 1988
2010/2/22-24
常田佐久（国立天文台）

現在を１としたときの太陽光度35億年前の太陽の放射量は現在の約７５％4

そのときの地球の温度は？

L  4 (1  A)T4e

A  Earth Albedo  Stefan Boltzmann ConstantTe  Radiative Equilibriu m TemperatureL = Solar Irradiance at Top of Earth AtmosphereTs  Te  Tgreenhouse
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

5グリーンハウス効果

太陽光度

放射平衡温度Kasting
et al, Scientific American, 1988
2010/2/22-24
常田佐久（国立天文台）

現在を１としたときの太陽光度35億年前の太陽の放射量は現在の約７５％

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Snowball Earth全地球凍結？
全地球凍結が数回発生していた？

一種の熱的不安定性による：
氷によるアルベド率の上昇による熱吸収の減少
Run awayによるsnowball化？

CO2の増大によるGlobal melt?
2010/2/22-24
Lubick,N., 2002, Nature, 417:12-13

常田佐久（国立天文台）

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Orpheusの地球との衝突⇒月の形成

生命の誕生に適さない時代~4.5 Ga

生命の誕生

Late Heavy
Bombardment
3.8-4.0 Ga

in “some warm little pond”.

2010/2/22-24

3.5 Gahttp://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/lectures/lifeform.htm
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常田佐久（国立天文台）
http://www.psi.edu/projects/moon/moon.html

The Faint Young Sun Paradox
First shelly fossils (Cambrian explosion)
Snowball Earth ice ages

Warm

Rise of atmospheric O2 (Ice age)
Ice age (?)

生命の誕生？
Warm (?)

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常田佐久（国立天文台）

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The Faint Young Sun Paradox• 今から～35億年前、地球に生命の誕生したとき、地質学的・生物学的研究から、地球の温度は～６０度Ｃあったとされる。一方、精緻な標準太陽モデ
ルは、疑いの余地なく、当時太陽は現在の明るさの７５％程度しかないことを示している。それが正しいとすると、地球は完全凍結状態にあったことになる。
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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太陽大気の構造

太陽:主系列にたどりついた時を０歳ＺＡＭＳ（Zero Age MainSequence Star)と言う
現在は、45.7億歳主系列への移動（林フェーズ）

状態方程式p  NkT  mH N• 平均原子量μにより状態方程式は p  km• もし太陽がT

H– 電離水素だけでなるなら●＋○  

111  2– 電離ヘリウムだけでなるなら（● ● ● ●）＋ ○ ○

4
1 2  3– 原子番号ｚの電離原子なら、（● ・・●）＋ ○ ・・○2z21 z１個の原子Z個の電子– X, Y ,Zを水素、ヘリウム、重原子の質量割合とすると全部合わせて1

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3
12 X常田佐久（国立天文台）
 Y Z4213

太陽光度Ｌは何に依存するか？

• Density(1)• Hydrostatic equilibrium• Eqn. of state for ideal gas

non-isotropic term(2)zBy (1) & (2), (3)becomeRosseland mean(3)

太陽の質量・光度関係  cTc3.5
L M
7.5
c

5.5

R

0.5

• 現在の太陽中心部は、μ☉c～0.61• ZAMSの太陽中心部は、 μ0c～0.59• ＺＡＭＳでの太陽光度は現在の７５％程度
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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The Faint Young Sun Paradox
解決の方向性• 生物学的: 凍りついた地球で生命誕生• 古大気： 多量のgreenhouse gases• 地質学的: 地熱• 基礎物理学: e.g., 重力定数の変化!?
• 天体物理学： 太陽は今より明るかった

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常田佐久（国立天文台）

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生物学的解決？

-40C

地熱により液体となり、NH3とmethane
Bada2010/2/22-24
et al. 1994, PNAS, 91:1248-1250.
常田佐久（国立天文台）
Image: http://www.chem.duke.edu/~jds/cruise_chem/Exobiology/sites.html

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Methanogenicbacteria

生命の鎖を戻るとメタンバクテリアにたどり着く

Courtesy ofNorm Pace
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常田佐久（国立天文台）

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Cold Genesis説の棄却• 地表に水があった• ストマトライトの存在
35億年前のストマトライト

Lake Thetis Stromatolites (Ruth Ellison)

Precambrian stromatolite fossils
常田佐久（国立天文台）
from Glacier National Park

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19多量のCO2 による温室効果説
暗い太陽の影響をグリーン
ハウスガスで補って地質学的データから求めた地表温度と一致させるのに必要なガス量

Snowball Earthevents

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現在の100倍から一万倍のCO2量

常田佐久（国立天文台）

J. F. Kasting, Science (1993)20

地質学的証拠 (2.8 Ga)からCO2説は棄却される
気候モデル
で必要な量

siderite (FeCO3)からpCO2の上限が決まる⇒greenhouse gaseは、 CO2
ではない (CH4?)

地質学的上限必要なＣＯ２量は温度に敏感Today’s CO2
2010/2/22-24
level (310-4 atm)

Rye etal., Nature (1995)
常田佐久（国立天文台）

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Titan’s organic haze layer
Haze is thought toform from photolysis(and charged particleirradiation) of CH4 If CH4 becomes moreabundant than CO2,organic haze begins
to form... Whichconstitutes an AntiGreenhouse agent.
 So the limit on CO2 isan effective limit onCH4

2010/2/22-24(Picture 常田佐久（国立天文台）
from Voyager 2)

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初期地球はこんな色？

A hazy early Earth? It has been proposed that if the early Earth‘s
atmosphere contained CH4, photochemical formation of an organic
haze layer may have made the Earth’s appearance very similar to thatof Saturn's moon Titan

Trainer M G et al. PNAS 2006;103:18035-18042

2010/2/22-24©2006 by National Academy of Sciencescourtesy of NASA/JPL/Space Science Institute.

常田佐久（国立天文台）

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Climate Science Solution(Richard Linzen, MIT)• Stratospheric clouds in nitrogen/methane
atmosphere can produce sufficientgreenhouse shielding to obtain hightemperatures (albedo effect minor)• How can this verified from observations?

2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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Piet Martens 博士の指摘
It’s probably the Sun!
 NASA Press release, May 2009: “NASA RoverSees Variable Environmental History at Martian
Crater” …..“The data show water repeatedly
came and left billions of years ago”.
 Squyres et al. (Nature, May 2009):“…alteration may have required several hundredsof millions of years of water exposure”.
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常田佐久（国立天文台）

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Victoria impact
crater on Mars,explored foreight months
by Mars RoverOpportunity
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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Panoramic View of the Crater Rim

If Mars has had surface liquid water for periods ofhundreds of millions of years throughout the last
two or three billion years, it’s atmosphere musthave been MUCH warmer than what a “faintyoung Sun” would sustain
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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太陽の質量が大きかったら？
• 現在の太陽中心部は、μ☉c～0.61• ZAMSの太陽中心部は、 μ0c～0.59• ＺＡＭＳでの太陽光度は現在の７５％程度• ＺＡＭＳの太陽質量がM0=1.05M☉なら• ＺＡＭＳの太陽質量がM0=1.1M☉なら、1.27倍
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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実際はもう少し小さくても良い• Solar luminosity is a strong function of solarmass: L ~ M4 （前の式とちょっと違っている）• Planetary orbital distance varies inversely withsolar mass: a ~ M–1
• Solar flux varies inversely with orbital
distance: S ~ a–2• Flux to the planets therefore goes as
S ~ M6
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）30

太陽の質量損失• The faint sun problem を天文学的に解決するには、ＺＡＭＳにおける太陽質量を～５％大きくする必要がある。
• これによりＺＡＭＳで現在より３０％程度太陽を明るくでき、地球の温度を生命発生時の～６０度Ｃにできる。
• 現在の標準太陽モデルでは、太陽質量を一定としており、このようなことは考慮されていない。
• 太陽は昔重く・明るく、それを現在の質量にするため、何らかの理由で大規模に質量を失ってきた違いない。
2010/2/22-2431
常田佐久（国立天文台）

太陽の幼年期に300倍の質量損失！
• 現在の太陽の質量損失： M sun  3x1014 M sun/yr (Sun)M sun  1015  1016 M sun/yr (CME)• 必要な質量損失：５％/46億年～M sun  11011 M sun / yr

• 現在の約３００倍の質量損失が必要。現在に近づくほど損失が現在の値に近づくことを考慮すれば、ＺＡＭＳ近傍では、さらに大きな損失が必要。
• 質量損失は、角運動量損失をもたらす。
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

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宇宙における多様な磁場の働き• 波によってエネルギーを運べる• ねじってエネルギーを蓄積できる• ためたエネルギーをとりだせる（磁気リコネクションという現象）• 不安定になり、CMEなどを引き起こす• 磁場に垂直方向に物質や熱を運ばない• 対流を抑える
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

33

磁場による質量損失の増大• 磁場によるコロナ加熱が増大して、コロナの温度を５百万度以上にすると、コロナは太陽の重力場に束縛されず自由膨張状態になる• 年１００回くらいCoronal Mass Ejection (CME)があるとして、これが３万倍になれば（2分に１回）説明できる。
• どうすれば昔の太陽の質量損失レートを求めることができるか？
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

34

ブレークスルーとなった研究より若い太陽型星の質量損失を求め太陽の過去の質量損失を推測する
B. Wood et al., Ap. J. 574, 412 (2002)
超音速星間風(8千度、部分電離）
Lyαの狭い吸収線（基準）

太陽超音速太陽風(完全電離）

観測方向2010/2/22-24

20-40万度のＨＩ
水素壁
Lyαの広い吸収線（red shift）

常田佐久（国立天文台）

35

ε-EridaniからのLy-α Spectrum (HST)星の彩層からのLy-α放射(モデル）
青側の追加吸収Astrospheric Absorption
質量損失レートに比例ISM absorption

B. Wood et al., Ap. J. 574, 412 (2002)

2010/2/22-24

atrosphereによる 冷たいＩＳＭによる吸収に対して
36
常田佐久（国立天文台）
red shiftした熱い星間物質による吸収
blue shiftした吸収太陽型星の質量損失レート•70 Ophiuchi, mass ~ 0.92 Msun, age ~ 8 億年,
mass loss ~ 3x10-12 Msun/yr(上限？）•E-Eridani, mass ~ 0.85 Msun, age ~ 5-10億年,mass loss ~ 10-12 Msun/yr•The present Sun ~ 3 x 10-14 Msun/yr•太陽型星はその幼年期に、現在の～100倍の質量損失レートであった可能性が高い。

2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）37

質量損失レート

コロナからの軟Ｘ線強度と質量損失

2010/2/22-24

X線強度

常田佐久（国立天文台）38

コロナからの軟Ｘ線強度と質量損失 Ｘ線コロナ強度がある

質量損失レート

値以上になると質量損失が急減する！

2010/2/22-24

X線強度

常田佐久（国立天文台）

39

太陽全面画像2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

40

太陽全面画像
むかしむかし太陽の極域には大黒点があった？
極域大黒点により星風が抑圧されたのでは？

こんな感じでは？

2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）41

晩期型星の自転周期と軟Ｘ線強度

軟Ｘ線強度

Ｘ線だけでなく紫外線量も極めて大きい

自転速度2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）
Pallavicini, ApJ, 248, 279,198142

太陽型星の年齢と回転周期
Log of Rotation Period vs Log of the Age(second group)
2.0
alpha Cen A

自転周期

1.5

beta Hyi

eps Erikappa Cet

1.0

X Ori
DX Leo0.5

EK Dra16 Cyg A

15 Sgebeta Com

VB 84

pi UMa0.0

log Prot (log days)
2010/2/22-24

Prot ~ -0.5

2 / 3y-intercept = 1.0152514441
slope = 0.6581705302
r ? = 0.9422918434

AB Dor-1.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5

0.0

0.5

log Age (log Gyrs)

年齢

常田佐久（国立天文台）

1.0

1.5

From Nandy and Martens 2007

43

自転速度

星の年齢と自転速度の関係∝T-0.5星の年齢2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

Soderblom, ApJS, 53,1, 1983 44

磁場とアルベン球が星の自転に与える大きな影響
磁場のある星vrot

磁場のない星

アルベン球

vrot

rAr

磁気エネルギー大
角運動量は保存しない

太陽風による角運動量ロスL  M  r  vrot  M  r 2  星の自転に影響を与える大きさにはならない
2010/2/22-24

太陽風による角運動量ロスL  M  rA  vrot  M  rA2  rA は太陽半径の10倍以上ある！45
常田佐久（国立天文台）

磁気ブレーキによる星の減速• アルベン半径：太陽風のエネルギーが磁気エネルギーと一致する半径。太陽では、３－１０太陽半径程度。
• アルベン半径の内側では、磁気エネルギーが大きく、太陽風プラズマは、太陽とco-rotationしている。
• アルベン半径の外側では、逆に、等角運動量運動をしている。
• このため、太陽風により太陽が失う角運動量は、アルベン半径が太陽半径の10倍の場合100倍となり、星をの回転を減速させる。
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）46

星は質量損失すると減速する（ここのＬは角運動量）

L  M  r  v  M  r 2  Arot
AL  M  r  v  M  r 2Irot
I
角運動量ロスレートは、質量ロスレートに比例する :L M
rA 2( )
L M
rIM
L2
 massloss (  )   spindown(  )  (rI / rA )ML

2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

47

数字を入れてみると
 massloss   spindown  (rI / rA )2

 spindown  2 10 years
9

rI  rstar  (1 / 3  1 / 6)rA  rstar  (3  10)

 massloss  2 10  2 10 years
11

2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

1248

いろいろな相関関係。。。
• 自転速度と年齢は負の相関– 若いほど早く回転• 自転速度とＸ線強度は正の相関– 速く回転するほどＸ線で明るい• Ｘ線強度と質量損失は正の相関– Ｘ線明るいほど質量損失が大きい• ∴若い星ほど質量損失が大きい
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

49

太陽の年齢と質量損失の関係
Wood et al. (2002)

質量損失レート

若い時ほど速く回転しＸ線明るかった
Sun

年齢
質量損失のサチューレーション
自転が速いと極に大黒点？？常田佐久（国立天文台）
2010/2/22-24

４６億年
50

積分質量損失% Changes

活発な質量損失

200 Myr

質量 光度
損失 変化
0.6 3.6
1.0 6.0
2.0 133.0 19Wood et al. (2002)
４４億年前には、質量損失が抑圧されていた時期を脱している。
2010/2/22-24

常田佐久（国立天文台）

51

“Faint Young Sun paradox ”
一つの推測。。。。
• “Faint Young Sun paradox”への電磁流体力学的解釈を提案した。
• 太陽の幼年期に、その質量は今より～５％大きく、その回転速度は、数日（現在は28日）であったかもしれない。
• そのような幼年期の太陽は自転と対流の相互作用により、現在よりはるかに活発なダイナモ活動と磁場の生成が行われていた。
• 太陽風は自由膨張状態にあり、ＣＭＥは2分ごとに発生していた。
• その結果、太陽は現在の300倍から1千倍のレートで質量を失い、同時に磁気ブレーキにより自転は減速していった。
• このようば大規模な質量損失の痕跡（erosion)を磁気圏がなく大気のない惑星の表面で見つけることはできないだろうか52
常田佐久（国立天文台）？

2010/2/22-24

2010/2/22-24
常田佐久（国立天文台）

another way to launch mass tointerplanetary space. 4.4 billion
years ago, powerful CMEs every
30 sec may dominate gentle solarwind.

Ｃoronal Mass Ejection (CME)

Hinode Soft X-rays
9 April 2008
53

参考文献
•••••••••••Kasting et al.(1988), Scientific American (ISSN 0036-8733), vol. 258, Feb.
1988, p. 90-97.
Lubick (2002), Nature, Volume 417, Issue 6884, pp. 12-13
http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/lectures/lifeform.htm
http://www.psi.edu/projects/moon/moon.html
Bada et al.(1994), Proceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States of America, Volume 91, Issue 4, pp. 1248-1250
http://www.chem.duke.edu/~jds/cruise_chem/Exobiology/sites.html
Kasting(1993), Science (ISSN 0036-8075), vol. 259, no. 5097, p. 920-926.
Rye et al.(1995), Nature, Volume 378, Issue 6557, pp. 603-605
Trainer et al.(2006), PNAS 103, 18035-18042
Squyres et al. (2009), Science, Volume 324, Issue 5930, pp. 1058Wood et al.(2002), The Astrophysical Journal, Volume 574, Issue 1, pp.
412-425.

参考文献
••
•

Pallavicini et al.(1981), Astrophysical Journal, Part 1, vol. 248, Aug. 15,1981, p. 279-290.
Nandy and Martens (2007), Advances in Space Research, Volume 40,Issue 7, p. 891-898.
Soderblom (1983), Astrophysical Journal Supplement Series (ISSN 00670049), vol. 53, Sept. 1983, p. 1-15.