OISTER WS 2023 15:20-15:40 Feb 28 (Tue), 2023

OISTERで迫る太陽型星スーパーフレア
研究の現状と今後
行方 宏介/Kosuke Namekata(NAOJ/ALMA Project, JSPS fellow)
Collarborators: H. Maehara (NAOJ), V. Airape:an (NASA), Pascal Pe:t (Obs. Midi-Pyrenees), S. Honda(Univ. of Hyogo), Y. Notsu, (CU Boulder), K. Ikuta (Univ. of Tokyo), S. Inoue, D. Nogami, K. Shibata (KyotoUniv.), and solar/stellar team in Japan&US.
©NAOJ

Outline of This Talk

• 太陽型星のスーパーフレアの面白さ• せいめい望遠鏡/OISTERでの最近の研究成果• 今後のOISTERの活用方針©NAOJ

太陽・恒星フレア
表⾯で突発的に爆発・増光する現象

太陽フレアの模式図(横から⾒た場合)

Shibata+1995

・X線〜UV〜可視光〜電波まで全ての波⻑で観測される
・「黒点」周辺の磁気エネルギーを解放コロナ

Reconnection

Electron beam
Thermal conduction

光球・彩層

ひので衛星でみた太陽フレア(カルシウム線)©JAXA/NOAJ

3太陽の磁気活動性の地球への影響
コロナ質量放出(以下、CME):
磁気プラズマが宇宙空間に放出

衝撃波⾯で高エネルギー粒子が⽣成©V. Airapetian

実際の宇宙災害につながる•••

地上送電網の故障
⼈⼯衛星の故障
宇宙⾶⾏⼠や航空機乗客の被曝

1989年3⽉13⽇の磁気嵐によるケベック州の⼤停電

Ｘ線観測衛星あすか
太陽フレアで故障

4太陽型(G型主系列)星のスーパーフレアの面白さ• 近年、Kepler衛星により太陽型星 (1033-36 erg)で年齢問わずスーパーフレアが発⽣していることが話題となった (Maehara et al. 2012, Nature)• 今の太陽より100倍強も活動的だった若い太陽に対し、地球は⼤丈夫だったのか？
©NASA• 今の太陽でスーパーフレアが発⽣したら、⽂明への影響はどれくらいなのか？

Stellar brightness

Fig. superﬂares on solar-type star

Maehara et al.
2012, Nature©京大Day5

恒星スーパーフレアが引き起こす脅威と恩恵• フレアに伴う&定常のX線・UV ⇒ 系外惑星上層⼤気を電離・加熱⇒⼤気流出• CMEが発⽣ ⇒ 温室効果ガスや有機物質の元分⼦の⽣成 ⇒ ハビタビリティ形成
Or, ⇒ ⼤気流出, 被曝 ⇒ ハビタビリティを破壊⇒ これらの系外惑星へのインプットの理解には分光観測や多波長観測が必要
Space Weather Driven Prebiotic Chemistry
SEP event

電磁波放射(X線,紫外線,可視光等)

惑星・円盤へ影響[若い/現在の太陽系 & 系外惑星]

XUV
N2, CO2, CH4, H2O
Ionization

DissociationCO, CN, NH, NOx,OH, NHO3

プラズマ噴出(CME)©京大

N+, O+, CO+, NO+,NO+, OH+

Nitrous Oxide, N2O
Hydrogen Cyanide, HCN
Acetonitrile, CH3CN
Formaldehyde, CH2O

©Airape:an

Airapetian et al. 2016, Nat. Geosci
Martian Ocean
Hu et Nitrates,al. 2022,
Sci.
Advances
Formamide,Complex
Sugars,Mars
Bio molecules of life6

ここ10年の成果・近年の新展開• Kepler/TESSにより、測光観測の統計的性質はほぼほぼ調査された↔ (スペクトル線)分光 & 多波⻑でのフレア観測は少ない• M-dwarfではそこそこ ↔ 特に太陽型星は難易度が極めて⾼い[Aryes+15, Guarcello+19]• 新展開：機動力の高い地上・宇宙望遠鏡の潤沢な観測時間に基づいた、太陽型星スーパーフレアの分光観測・多波長観測へ挑戦

OISTERでのX線観測
新展開分光観測©NASA

分光・多波⻑観測©NAOJ7

近年の光赤外線大学間連携での成果• 2020年、せいめい望遠鏡＋なゆた望遠鏡の⾼い機動⼒を⽣かしたモニタ観測により若い太陽型星EK Draのスーパーフレアの分光観測に初成功！
• 「⻘⽅偏移するHα線の吸収成分」を検出し、太陽型星表⾯からの噴出現象の決定的な証拠を初検出(Namekata K. et al. 2022, Nature Astronomy)⇒ 若い太陽の大質量噴出まで示唆

Fig. 差分スペクトル
スーパーフレア中(星表面の増光)Superﬂare

フレ
ア
前との差分

“Filament Eruption”
The source of
blue-shifted absorption

スーパーフレア後-20+2

Hα線中心からの波長[nm](©NAOJ)(過去のOISTER WSで報告)(©NHKコズミックフロント) 8

残された疑問• イベント/天体ごとに多様性はどれほどあるのか？

OISTER 2020年プレスリリース
⾏⽅ら(©京⼤・国⽴天⽂台)
せいめい/なゆた/MITSuMEOISTER 2020年プレスリリース
⾏⽅ら(©国⽴天⽂台・京⼤)
せいめい/なゆた• ⼤噴出現象の発⽣頻度は？
• 多波⻑での振る舞いは？

太陽のX線/UVでの噴出現象の振る舞いVeronig+21• ⼤噴出現象を起こす⿊点の様⼦は？
ここ2年、これら(ほぼ全て)に答える研究をせいめい&なゆた望遠鏡で実施

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Outline of This Talk

• 太陽型星のスーパーフレアの面白さ• せいめい望遠鏡/OISTERでの最近の研究成果• 今後のOISTERの活用方針

太陽型星の噴出現象の観測戦略• Hα線の分光観測でドップラーシフトを調べ、噴出現象の中心部(プロミネンス)の運動を⾒る

最大の太陽プロミネンス噴出

フィラメント噴出(1946年6⽉4⽇: ⽶国HAO、横から⾒た動画)（京都⼤学⾶騨天⽂台SMART望遠鏡、上から⾒た動画）• 太陽型星フレアは、発⽣頻度も低いし、フレアの増光低いし、その上継続時間は数分~時間しかない• 検出するには、「⼤きい望遠鏡で、⻑時間の、連続分光観測」が必要©東工大⇒ せいめい望遠鏡/なゆた望遠鏡/188cm望遠鏡と言った国内数m級望遠鏡を使い倒し、膨大な時間を割けば、未開拓の太陽型星フレアの分光サンプルを集められる©西はりま©京大11

Target stars & Results[Target star]
EK Dra (G2V), V889 Her(G1.5V)–“代表的な近傍の若い太陽型星”(in main sequence; Age ~ 30-100 Myr; Teﬀ ~ 5700K)

3.8m Seimei Telescope

TESS(Vmag=7.5, best targets for ﬂare monitor)[Photometry]
TESS Sector 21-23 (2020 Jan-Apr): 2 min cadence[Hα Spectroscopy]Japan) Seimei 3.8m (R=2000), Nayuta 2m (R=10000)- S/N~100-200 & 1-5 min cadence

©NASA

©京大

Result~9 superﬂares on the young Sun-like star
were detected in Hα and WL!

- [Our advantage] ~150 nights observa^ons
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Outline of This Talk

• 太陽型星のスーパーフレアの面白さ• せいめい望遠鏡/OISTERでの最近の研究成果• 今後のOISTERの活用方針(今後5年)

方針1: スペース(主にXRISM)との連携• XRISM(2023~)：⾼温コロナのフレア上昇流の検出や、abundanceの測定など• チャンドラやXMMの研究に、可視測光・分光を加えることで新たな研究に• XRIMSの限られた貴重な観測時間に、classical/ToO的に対応できる準備を
質量噴出(X線・Hα)
数10-1000km/s

⾃転・⿊点(光球・彩層線)
数-10km/s

フレア
数10-100km/s(Shibata et al. 1995)

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XRISM
©JAXA

Argiroﬃ et al. 2019, Nat. Astron.
(Chandraのアーカーブを解析)

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方針2: 高分散分光観測への期待• せいめい望遠鏡/KOOLS-IFUの中分散では限界あり• 低速流が検出できないし、line proﬁleも検出できない• ⿊点の配置を調べる研究も、現状では海外望遠鏡に依頼している• やはり、R>2-50,000以上の⾼分散分光観測が⾃由に使える環境が欲しい• なゆた/MALLSのエッシェルモードの利⽤ + せいめい可視光分散の開発
質量噴出(X線・Hα)
数10-1000km/s

⾃転・⿊点(光球・彩層線)数-10km/s

Fig.太陽で観測される数10km/sの流れ(Namekata+22c)

フレア
数10-100km/s(Shibata et al. 1995)+ 高分散分光器

2020

Summary• 【2020年】せいめい/なゆた望遠鏡により、太陽型星スーパーフレアの初の可視光分光観測に成功し、フィラメント噴出の発⽣の決定的証拠を検出。
• 【2021年以降】多様性、発⽣頻度、多波⻑の側⾯、⿊点との対応など、いろいろなことが明らかになり始めた。
• 【今後5年ほど]】XRISMとの連携、可視光(⾚外)⾼分散分光器の開発

References• Namekata et al. 2022 (2021online/ADS), Nat. Astron., 6, 241• Namekata et al. 2022, ApJL,• Namekata et al. in prep.
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