大阪大学での太陽・宇宙プラズマ研究の紹介

Credit: NASA SDO/AIA

たかさお しんすけ

高棹真介（宇宙地球科学専攻 宇宙進化グループ）阪大 宇宙進化グループ（長峯研）

http://astro-osaka.jp/OUTAP/index.html

Isaac Shlosman (招へい教授)
Luca Baiotti (兼任准教授)
Renyue Cen (招へい教員)

幅広い宇宙物理のテーマを扱う阪大の理論研究室

阪大 宇宙進化グループ（長峯研）

http://astro-osaka.jp/OUTAP/index.html

長峯 教授：宇宙論的構造形成・銀河形成

大規模構造 (~Gpc)

銀河中心 (~pc)

井上 准教授：高エネルギー天文学
宇宙線

高棹 助教：太陽・恒星物理、星・惑星形成、銀河ブラックホールとジェット

ブラックホール、相対論的ジェット、中性子星、暗黒物質、宇宙線の起源

幅広い時空間・エネルギースケールをカバーする、珍しい理論研究室

太陽や惑星はどのように生まれた？
分子雲コア

原始星と回転円盤（降着円盤）

4~10 au

太陽系の形成重力収縮~102 au
太陽系の太陽・惑星の性質はガスの集まり方（質量降着機構）で決定。

~10-2 au

太陽で学んだことを応用すると道が開ける話題が無数にある

星形成過程での、大小スケールの相互作用
大スケール (~104 au かそれ以上)

ガスと磁場を小スケール (原始星やその周辺)
小スケールからの影響

供給
冷たく (< 100 K), あまり電離していないガス

Hartmann et al. 2016

熱い (104 - 108 K) ガスからの放射、電離源となる宇宙線の生成、ジェット周辺環境にインパクト

研究の特色：システムの内側境界条件としての星の性質を理解する

X線でみた太陽星からの高温プラズマからの放射、宇宙線の生成に関する研究太陽フレアでの高エネルギー電子の起源は？？
Bin Chen et al. 2020

フレアループのてっぺんで準相対論的な電子からの放射が強い。乱流も強そう。
なぜ？？

太陽フレアでの高エネルギー電子の起源は？？

現M1の柴田さんによる3次元シミュレーション

自発的な乱流構造の形成を発見！
高エネルギーな電子への影響も調査中

Protostellar
flaresmovie of Orion
Chandra X-ray
たくさんの星が誕生しつつある領域のX線の動画（全体でおよそ２週間の期間）

原始星フレア赤ちゃん星が起こす爆発現象

Protostellar
flaresmovie of Orion
Chandra X-ray
たくさんの星が誕生しつつある領域のX線の動画（全体でおよそ２週間の期間）

原始星フレア赤ちゃん星が起こす爆発現象
X線から見積もったエネルギー : 1034 -1037 erg>> 最大級の太陽フレアの全エネルギー (~1032 erg)

降着円盤巨大なフレアは、円盤からの助けを得て生じているのでは？

原始星が引き起こす巨大爆発（原始星フレア）のシミュレーション：Takasao et al. 2019

ガスの集積（降着）と磁気リコネクション
上から見た図原始星フレアの発生機構 (Takasao et al. 2019):
降着ガスが磁場を引きずり集める(エネルギー蓄積)

磁気リコネクション

質量 と 磁場 の降着(エネルギー解放)

磁気リコネクションによる磁場と高温プラズマの放出

温度原始星に限らず、他の天体でも起きそうな一般的な機構

想像図

D. Berry/NASA via SkyWorks Digital

私たちのいる天の川銀河の中心にいる
超巨大ブラックホールも爆発を頻繁に発生
やっぱり磁場の役割が重要視

Image credit: X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

ガスの集積（降着）と磁気リコネクション
原始星フレアの発生機構 (Takasao et al. 2019):
降着ガスが磁場を引きずり集める(エネルギー蓄積)

磁気リコネクション

同様の機構が超巨大ブラックホールのフレアの駆動機構として近年注目！
Top view(エネルギー解放)Black holeDexter et al. 2020

原始星に限らず、他の天体でも起きそうな一般的な機構

降着によって引き起こされるフレアの起源の理解= 質量 と 磁場 が中心にどう持ち込まれるかの理解= 多様な天体の形成過程の解明

Porth et al. 2020

太陽フレア・原始星フレアのガンマ線の起源
S. Kimura, Takasao and Tomida, in prep.

高エネルギー天文学の研究者と協力して太陽観測で制約されたガンマ線放射の理論モデルを構築

磁気リコネクションによる粒子加速が太陽〜原始星フレア、さらには他の宇宙環境でも共通なのか、その普遍性の検証が将来観測で進む可能性！
Cherenkov Telescope Array (CTA)

星の成長を知るために：ガス降着の研究
降着衝撃波からの放射

Hartmann+16星の成長を理解するために、星に落下するガスが作る衝撃波からの強い放射を理解したい。
でも一般の星は遠いので、詳しく理解することは難しい。。。

降着を受ける星としての太陽
SDO/AIA 171Å(~60万K)

噴出物が星表面に落下して降着衝撃波を形成。
太陽なら• 多波長で観測できる！
• 時間・空間分解できる！

理論研究と現在の太陽の観測を合わせることで太陽誕生のヒントを得られる！

Reale+13

降着を受ける星の３次元磁気流体シミュレーション
原始星フレア

原始星・前主系列星の成長

世界の大型地上望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡によるサーベイ観測も現在進行中で、盛り上がり中！

• 現在このようなシミュレーションをしている世界唯一の研究室• 太陽と宇宙物理の話を両輪で研究していくスタイル

太陽の研究から、多様な天体形成の理解へ
星形成のはじまり（ガスの収縮）

Sun / stars

星の形成
Growth in mass

Credit: NASA SDO/AIA

銀河中心・超巨大ブラックホール周りからのジェット

Credit: Chalmers University of Technology

Takasao et al. 2022

原始ガス惑星（木星のような惑星の赤ちゃん）の形成

Takasao et al. 2021

太陽の研究から、多様な天体形成の理解へ
星形成のはじまり（ガスの収縮）

Sun / stars

星の形成
Growth in mass

Credit: NASA SDO/AIA

Takasao et al. 2018, 2019

Takasao & Shibata 2016 etc

宇宙プラズマ物理の理解を応用すると、銀河中心・超巨大ブラックホール周りからのジェット原始ガス惑星（木星のような惑星の赤ちゃん）の形成
宇宙の激しい側面がどんどん見えてくる！

Credit: Chalmers University of Technology

Takasao et al. 2022

Takasao et al. 2021a

大阪大学 宇宙地球科学専攻

http://www.ess.sci.osaka-u.ac.jp/index.html

専攻全体が宇宙物理〜地球惑星科学を広くカバー
やりたいこと・知りたいことがあれば気軽に議論できる環境！
X線天文学、赤外線、惑星科学グループは特に太陽研究と関係（例：太陽風が惑星に与える影響）。

まとめ

他の恒星の物理
ST+20, Shoda & ST 21

太陽物理

Credit: NAOJ

星・惑星形成ST+17, 18, 19, 21

Credit: ESO/L. Calçada

See reviews ofShibata & ST 16,
McLaughlin et al. (+ ST) 18

ブラックホール周りの物理
ST+22などなど
D. Berry/NASA via SkyWorks Digital

阪大で太陽・宇宙プラズマを研究しませんか！