飛騨天文台SMART/SDDIを用いた様々な太陽活動現象に関するHα線スペクトルのSun-as-a-star解析
Sun-as-a-star Analyses of Various Solar Active Events
Using Hα Spectral Images Taken by SMART/SDDI(Otsu+ 2022, ApJ)

京都大学大学院 理学研究科 宇宙物理学教室
大津天斗
共同研究者：浅井歩、一本潔、石井貴子 (京都大学)、行方宏介 (国立天文台)

2023/3/30 (木)太陽研究最前線体験ツアー

イントロダクション：太陽フレアと恒星フレア
太陽フレア

恒星フレア

◆ 太陽大気中の突発的な増光現象．

◆恒星で観測される突発的な増光現象．

◆ 太陽表面近くでのプラズマの噴出を伴うことがある.

◆スーパーフレア：➡ 惑星間空間への質量放出（コロナ質量放出； CME）に発展することがある

・最大級の太陽フレアの10倍以上のエネルギーを放出.

フレアの増光やプラズマ噴出、CMEを空間分解して“見る”ことが可能．

・太陽の場合より大規模なCMEを伴う？

空間積分されたデータしか得られない→ 解釈に太陽のデータを活用

太陽フレア（Hα線中心 6562.8Å）恒星フレアの白色光観測例（TESS）

18万km

プラズマ噴出（Hα -1.0Å）

太陽CME
13万km

SMART/SDDI

ライトカーブ

140万 km

CME観測例（SOHO/LASCO）

Namekata et al. 2022 (Nature Astronomy)より一部改変

イントロダクション：太陽のデータを恒星の研究に活用
Namekata et al. 2022 (Nature Astronomy) より一部改変

太陽フレアのHα線差分スペクトル赤：増光

プラズマ噴出(Hα-1.0Å)

波長[Å]プラズマ落下(Hα+1.0Å)

SMART/SDDI◆ 空間積分したHα線スペクトルの差分：
太陽を遠くの恒星のように扱った解析．
➡ Sun-as-a-star 解析
blue/redの吸収は，それぞれプラズマの噴出/落下に対応．

増光吸収

ドップラー速度 [km/s]

13万 km◆赤：増光

13万 km

吸収増光

青：吸収

波長[Å]

青：吸収

恒星フレアのHα線差分スペクトル

せいめい望遠鏡

左図の太陽の観測例と定性的に同じ．

恒星のblue/redの吸収もプラズマの噴出/落下に対応すると解釈

イントロダクション：その他の恒星フレア観測例
解釈が難しい恒星観測の例：Hα線などに現れるblue側に超過した増光

太陽面外へのプラズマ噴出のHα線観測
太陽面外へのプラズマ噴出（Hα-0.5Å, SMART/SDDI）

Blue側に超過した増光を示す恒星フレア
Hα線差分スペクトルの時系列

空間積分スペクトル

Blue側に超過した増光❓
Sun-as-a-star 解析

ドップラー速度 [km/s]
なゆた望遠鏡太陽面外へのプラズマ噴出のSun-as-a-star解析はまだ行われていない
恒星フレアの理解のためには様々な太陽活動現象
についてSun-as-a-star解析を行う必要がある

Maehara+ 2021より一部改変

プロミネンス噴出とする解釈

・恒星フレアによるHα線中心近傍の増光＋・恒星面外へのプラズマ噴出によるシフトした増光➡

blue側に超過成分をもつ増光研究動機◇太陽面内のプラズマの噴出・落下を伴うフレア◇他の様々な活動現象：

Sun-as-a-star Hα線スペクトル太陽面外へのプラズマ噴出

・Hα中心近傍の増光・blueからredへ走るシフトした吸収

27万km

16万km

波長[Å]

Hα-0.5Å

18万km

ドップラー速度[km/s]（Namekata et al. 2022）

フィラメントの噴出（消失）：
初め見えていた暗いプラズマが噴出
噴出

Hα中心

16万km

Sun-as-a-star 解析

空間積分スペクトルでどのようにみえる？

研究内容

フレアやプラズマ噴出のダイナミクスを探るのに適しているHα線を用いてSun-as-a-star解析．
様々な太陽活動現象と，空間積分したHα線スペクトルの定性的な対応を調べた．

京都大学飛騨天文台SMART/SDDIについて
太陽全面をHα±9.0Åの範囲で撮像分光観測することが可能.
波長分解能：0.25Å
時間分解能：12 sec

撮像した各時刻で. . .
✓ 活動現象を空間分解して“見る”ことが可能,✓ 撮像した全面像の任意の領域でHα線空間積分スペクトルを得ることが可能.

プラズマ落下18万km

活動現象の様子
フレア
プラズマ噴出18万km

SMART/SDDIによる観測例（Hα線中心）Hα - 1ÅHα線中心

Hα ＋ 1Å

解析手法：Sun-as-a-star Hα線スペクトル

空間積分

イベントを含む領域内のHα線スペクトルを空間積分．
（※静穏領域のデータで補正）

Intensity

１．空間積分スペクトルの作成

波長 λ

Sun

2．差分スペクトルの作成

空間積分したスペクトルについて，イベント発生前のスペクトルとの差分をとる．

Diff. Intensity

Intensity

Intensity→ イベントの発生によるスペクトルの変化をみる．

波長 λ

波長 λ

波長 λ

空間積分スペクトル

イベント発生前のスペクトル

差分スペクトル３．太陽全面で積算したcontinuumで規格化
太陽全面で積算したcontinuum ＝ “遠くの恒星としての太陽”の明るさ→“遠くの恒星としての太陽”の明るさに対するスペクトルの変化をみる．

continuum 波長 λ４．ダイナミックスペクトル
解析例：2017/04/02 C8.0 class フレア

Intensity

解析手法： Sun-as-a-star Hα線スペクトル

規格化した差分スペクトル

紫：減光

橙：増光

赤方偏移
Hα線中心からのDoppler 速度[km s-1]

波長差 [Å]

青方偏移
時間[min]※灰色の領域：データ無し

イベントリスト
フレア

フィラメント噴出

太陽面外へのプラズマ噴出

結果：ダイナミックスペクトルと撮像画像の対応

Hα線中心からの波長差 [Å]blue

時間 [min]・Hα線中心近傍の増光（red側に超過した増光）

blue
時間 [min]

時間 [min]

Hα中心近傍の増光（シフトした減光を伴う）

・増光後期のredシフトした減光

red
ドップラー速度 [km s-1]

ドップラー速度 [km s-1]

blue

red
ドップラー速度 [km s-1]red

Hα線中心からの波長差 [Å]2017/06/19 面外へのプラズマ噴出

2017/02/19 フィラメント噴出

Hα線中心からの波長差 [Å]2021/04/20 M1.1 フレア

シフトした増光
27万km

16万km

Hα+1.0Å

フレア

16万km

9万km

Hα中心

Hα+1.0Å

プラズマの落下

Hα中心

Hα-1.0Å

遠ざかりながら落下

Hα中心

フィラメント噴出

18万km

18万km

近づきながら噴出結果：ダイナミックスペクトルと撮像画像の対応

Hα線中心からの波長差 [Å]blue

時間 [min]・Hα線中心近傍の増光（red側に超過した増光）

blue
時間 [min]

時間 [min]

Hα中心近傍の増光（シフトした減光を伴う）

・増光後期のredシフトした減光

red
ドップラー速度 [km s-1]

ドップラー速度 [km s-1]

blue

red
ドップラー速度 [km s-1]red

Hα線中心からの波長差 [Å]2017/06/19 面外へのプラズマ噴出

2017/02/19 フィラメント噴出

Hα線中心からの波長差 [Å]2021/04/20 M1.1 フレア

シフトした増光
27万km

16万km

Hα+1.0Å

フレア

16万km

9万km

Hα中心

Hα+1.0Å

プラズマの落下

Hα中心

Hα-1.0Å

遠ざかりながら落下

Hα中心

フィラメント噴出

18万km

18万km

近づきながら噴出結果：ダイナミックスペクトルと撮像画像の対応

Hα線中心からの波長差 [Å]blue

時間 [min]・Hα線中心近傍の増光（red側に超過した増光）

blue
時間 [min]

時間 [min]

Hα中心近傍の増光（シフトした減光を伴う）

・増光後期のredシフトした減光

red
ドップラー速度 [km s-1]

ドップラー速度 [km s-1]

blue

red
ドップラー速度 [km s-1]red

Hα線中心からの波長差 [Å]2017/06/19 面外へのプラズマ噴出

2017/02/19 フィラメント噴出

Hα線中心からの波長差 [Å]2021/04/20 M1.1 フレア

シフトした増光
27万km

16万km

Hα+1.0Å

フレア

16万km

9万km

Hα中心

Hα+1.0Å

プラズマの落下

Hα中心

Hα-1.0Å

遠ざかりながら落下

Hα中心

フィラメント噴出

18万km

18万km

近づきながら噴出結果：ダイナミックスペクトルと撮像画像の対応

Hα線中心からの波長差 [Å]blue

時間 [min]・Hα線中心近傍の増光（red側に超過した増光）

blue
時間 [min]

時間 [min]

Hα中心近傍の増光（シフトした減光を伴う）

・増光後期のredシフトした減光

red
ドップラー速度 [km s-1]

ドップラー速度 [km s-1]

blue

red
ドップラー速度 [km s-1]red

Hα線中心からの波長差 [Å]2017/06/19 面外へのプラズマ噴出

2017/02/19 フィラメント噴出

Hα線中心からの波長差 [Å]2021/04/20 M1.1 フレア

シフトした増光
27万km

16万km

Hα+1.0Å

フレア

16万km

9万km

Hα中心

Hα+1.0Å

プラズマの落下

Hα中心

Hα-1.0Å

遠ざかりながら落下

Hα中心

フィラメント噴出

18万km

18万km

近づきながら噴出結果：ダイナミックスペクトルと撮像画像の対応

Hα線中心からの波長差 [Å]blue

時間 [min]・Hα線中心近傍の増光（red側に超過した増光）

blue
時間 [min]

時間 [min]

Hα中心近傍の増光（シフトした減光を伴う）

・増光後期のredシフトした減光

red
ドップラー速度 [km s-1]

ドップラー速度 [km s-1]

blue

red
ドップラー速度 [km s-1]red

Hα線中心からの波長差 [Å]2017/06/19 面外へのプラズマ噴出

2017/02/19 フィラメント噴出

Hα線中心からの波長差 [Å]2021/04/20 M1.1 フレア

シフトした増光27万km16万km

Hα+1.0Å

フレア

16万km

9万km

Hα中心

Hα+1.0Å

プラズマの落下

Hα中心

Hα-1.0Å

遠ざかりながら落下

Hα中心

フィラメント噴出

18万km

18万km

近づきながら噴出結果：フィラメントの消失、プロミネンス噴出による増光量

Hα線中心からの波長差 [Å]等価幅の差分[10-4Å]

等価幅の差分[10-4Å]

blue

等価幅の差分[10-4Å]

blue

red
ドップラー速度 [km s-1]

ドップラー速度 [km s-1]

blue

red
ドップラー速度 [km s-1]red

Hα線中心からの波長差 [Å]2017/06/19 太陽面外へのプラズマ噴出

2017/02/19 フィラメント噴出

Hα線中心からの波長差 [Å]2021/04/20 M1.1 フレア

2021/04/19 23:20 UT からの経過時間 [min]2017/02/19 05:00 UT からの経過時間 [min]2017/06/19 04:30 UT からの経過時間 [min]~𝟏. 𝟓 × 𝟏𝟎−𝟒 Å~𝟏 × 𝟏𝟎−𝟒 Å~𝟑 × 𝟏𝟎−𝟒 Å

フィラメントの消失、面外へのプラズマ噴出によって、フレアと同等の増光が生じる．

恒星観測との比較①：太陽面外へのプラズマ噴出による増光
太陽面外へのプラズマ噴出のSun-as-a-star解析

Hα線差分スペクトルの時系列

red
ドップラー速度 [km s-1]

Sun-as-a-star 解析

Hα線中心からの波長差 [Å]太陽面外へのプラズマ噴出（Hα-1.0Å）blue

2017/06/19 04:30 UT からの経過時間 [min]・太陽面外へのプラズマ噴出 ➡ blue側にshiftした増光
・太陽フレアと同等の強さの増光を示す (~10-4Å)

Blue側に超過した増光を示す恒星フレア

Blue側に超過した増光

ドップラー速度[km/s]
なゆた望遠鏡Maehara+ 2021より一部改変

プラズマ噴出による増光がフレアと同等の強さであると必要がある恒星面外へのプラズマ噴出とする解釈を支持

Blue側超過成分のさらなる理解のためには太陽フレアと太陽面外へのプラズマ噴出が同時に観測されたイベントのSun-as-a-star解析が必要

恒星観測との比較②：フレア後期のプラズマの落下（downflow）
Hα線スペクトル変化
ドップラー速度 [km s-1]Hα線中心からの波長差 [Å]redblue
時間 [min]
18万km

9万km

Hα中心
Hα中心

フレア

Hα+1.0Å

プラズマの落下

M型星フレアの後期に観測されたdownflowの例（Namizaki+ 2023）✓太陽（G型星）では減光として観測、M型星では増光として観測✓星のタイプによって見え方が異なる？

➡

さらなる検証が必要

まとめ
恒星観測の現状と問題点：
・分光観測から多様な活動性が示唆
・しかし、空間分解できないので解釈が難しい

解決策✓太陽のデータを空間積分（Sun-as-a-star解析）して、空間分解した様子との対応を調査.
✓恒星観測の解釈を与える.

研究内容
フレアやプラズマ噴出のダイナミクスを探るのに適しているHα線を用いてSun-as-a-star解析．
様々な太陽活動現象と，空間積分したHα線スペクトルの定性的な対応を調査．

結果（の概要）✓活動現象ごとの特徴は空間積分したHα線スペクトルでも確認できる.
✓本研究で得た特徴をもとに、空間分解できない恒星でも表面で発生した現象を特定できると期待.

飛騨天文台SMART/SDDIの動画について
①④

（中略）

③②

補足資料

Summary of 9 events
No.

FeaturesSun-as-a-star spectra(1)

C8.0 flare + surge

Emission near center
Shifted absorption

3 × 10−4

2 × 10−4No ?

(2)

M5.3 flare + eruption

Emission near center
Shifted absorption (weak)

4 × 10−4-Yes(3)

M8.1 flare + eruption

Emission near center(two step)

4 × 10−4
2 × 10−4

-No ?

(4)

M1.1 flare + coronal rain ?

Emission near center
Redshifted absorption

1.5 × 10−4

0.5 × 10−4

Yes

(5)

Filament eruption

Emission near centerRed and blue Shifted absorption

1 × 10−4

1 × 10−4

Yes(6)

Filament eruption + two
ribbonEmission near centerRed and blue Shifted absorption

1 × 10−4

3 × 10−4

Yes(7)

Filament eruption + two
ribbonEmission near centerRed and blue Shifted absorption

1 × 10−4

3 × 10−4

Yes(8)Prominence eruption

Shifted emission

3 × 10−4-

Yes

Shifted emission (two step)

2 × 10−4
1 × 10−4-

Yes(9)

Prominence eruption

Emission [A] Absorption [A]CME occurence2017/4/2 C8.0フレア＋サージ（噴出現象）

2017/4/2 M5.3フレア＋プラズマ噴出2017/4/2 M5.3フレア＋プラズマ噴出2016/11/5 フィラメント噴出

2017/2/19 フィラメント噴出＋ツーリボンフレア

2017/4/23 フィラメント噴出+ツーリボンフレア

2021/5/5

太陽面外へのプラズマ噴出