太陽研究最前線体験ツアー
2018. 3. 19. 国立天文台

太陽物理学イントロダクション
横山 央明（東京大学 理学系研究科 地球惑星科学専攻）
謝辞：共同研究者のみなさま、国立天文台、JAXA、NASA、ESA、京都大学
飛騨天文台、「ようこう」「ひので」チームのみなさま、、、

自己紹介

1992年3月 京都大学 工学部 航空工学科卒業（学部・修士）
1995年3月 総合研究大学院大学 （国立天文台三鷹）で学位取得
国立天文台三鷹でポスドク
1998年4月 国立天文台野辺山助手
2003年4月より 東京大学 地球惑星科学専攻助教授・准教授

目次
太陽物理学：イントロダクション– 太陽の観測– 太陽大気のダイナミズム– 太陽物理学の研究

コンピュータの中の太陽太陽の観測

ガリレオ=ガリレイの太陽観測「太陽黒点にかんする第二書簡」（1612）• ヴェルザー氏との手紙で、太陽黒点について詳述。

Wikipediaより

ガリレオ=ガリレイの太陽観測「太陽黒点にかんする第二書簡」• 約2カ月にわたる黒点のスケッチが掲載• 太陽が自転していること• 黒点が太陽表面の現象であること• 形が不規則に変化し、その寿命が数日から1カ月ほどであること

国立天文台三鷹の黒点観測望遠鏡
1938年から1998年まで観測（現在は自動化）
基本的な手法は、ガリレイが記述しているのと同じ資料提供 国立天文台

現在の黒点スケッチ
東西反転に注意

資料提供 国立天文台

黒点数(NASA提供）

「ひので」衛星EIS
SOT

XRT

太陽光球磁場の約10年間の変動（米国NSO提供）

太陽X線放射の約10年間の変動（ようこう：JAXA宇宙研提供）

太陽大気のダイナミズム

「ひので」衛星が観測した太陽彩層(NAOJ/JAXA提供）

太陽大気中で揺れる磁力線（アルヴェーン波）(Okamoto et al. 2007; NAOJ/JAXA提供）

太陽フレアTRACE衛星 ＮＡＳＡ提供
SOHO衛星 NASA/ESA提供

ムービー１

ムービー２

コロナ質量放出現象（CME）
Solar limb

SOHO/LASCO
NASA・ESA提供

1000 km/sec
30億トン太陽フレア
太陽大気でおこる爆発現象
あらゆる波長（電波からγ線まで）の電磁波が、数分から数時間にわたって増光

電波エネルギー1029–1032erg
マグニチュード8の地震のエネルギーの10万倍
から1億倍（現在の）太陽系で最大規模の爆発現象

10年間で3000個程度

超高温プラズマ 数千万度から数億度（もとのコロナの数十から数百倍）
高エネルギー粒子（Maxwell分布からはずれた粒子） 数十keVから数MeV

紫外線

Ha

軟X線
硬X線
g線

ときにCMEやフィラメント放出などの大規模なプラズマ放出現象をともなう(Kane, 1974, IAU, p105)

フレアのエネルギー源は何か？
黒点周辺（「活動領域」）でよくおこる黒点数とフレア数とはよい相関エネルギー源は磁場

太陽の磁場(ウェブページ YPOPより)

磁力線

N

S

太陽

黒点

磁場の強さ
黒点で数キロガウス

JAXA提供活動領域周辺の磁場エネルギーの見積もり

L  10 km 立方の空間を占める
B  100Gauss の磁場のエネルギー
52

B 3Emag L82

 B   L 
 4 10 erg  5
 100G   10 km 2932
( Eflare  10  10 erg)32

3太陽フレア：1992-2-21イベント
Tsuneta et al. (1992) PASJ, 44, L63

カスプ型フレアループ

磁気リコネクションモデル またはフレア「標準」モデル
Carmichael (1964); Sturrock (1966);
Hirayama (1974); Kopp & Pneuman (1976)

磁気リコネクションモデル

太陽物理学の研究

太陽研究の魅力
ムービー・ムービー・ムービー…
人間が観測可能な時間スケールで変動がおこる数少な
い天体現象
豊かな構造
磁場とガスとが織りなす世界
活動的天体現象の代表例
他天体研究への波及効果
プラズマ物理学の実験室

なぜ太陽を研究するのか？
• 天文学の一里塚• 宇宙において、もっとも詳しく観測可能な天体• 日常生活への影響• 宇宙天気予報• プラズマ物理学の実験室• 極限的な環境• 超高温、超低密、高い電気伝導性

研究手法
観測地上望遠鏡
飛騨天文台ドームレス望遠鏡
野辺山電波ヘリオグラフ
宇宙望遠鏡
ひので衛星
日震学
理論・シミュレーション
機器開発
CLASPロケット実験
Solar-C

太陽を研究する手段 観測––––

可視光・赤外線
飛騨天文台（講義4＠飛騨）
紫外線・X線・ガンマ線「ひので」衛星（講義6＠三鷹）
電波
野辺山 （講義5＠野辺山）
宇宙線（中性子） 講義2＠名古屋

「ひので」衛星搭載 3観測機器
Solar Optical Telescope (SOT)ベクトル磁場の高精度高分解能観測

EUV Imaging
Spectrometer (EIS)
コロナ・遷移層の温度・密度・速度診断

X-Ray Telescope (XRT)
コロナの高空間分解X線画像

24時間連続観測（1年のうち約8ヶ月間、太陽同期極軌道）

太陽を研究する手段 理論・シミュレーション– 磁気流体力学– プラズマ粒子運動論– 放射輸送太陽を研究する手段 日震学– おもに可視光観測データを用いるが、理論的手法を併用して、太陽内部の情報を得る

太陽物理学イントロダクション：ここまでのまとめ
太陽大気は、ダイナミックな現象に満ちている。
突発的な増光・爆発・噴出・ジェットなど
太陽はプラズマ（電離ガス）の塊。
磁場エネルギーがダイナミズムを生み出す。
観測・理論・シミュレーション・観測器開発などさまざまなアプローチで研究できる。

太陽研究最前線ツアー
2017.3.27. 国立天文台

コンピュータの中の太陽横山 央明
東京大学 理学系研究科 地球惑星科学専攻

謝辞：共同研究者のみなさまrmax=0.99Rsun

太陽熱対流のシミュレーション 512x2048x4096

36

Hotta, Rempel, TY (2013)

太陽研究の手段
観測
データ解析
観測器開発
理論
解析的手法（紙と鉛筆）
数値シミュレーション

数値シミュレーションとはー太陽フレアを例にＮＡＳＡ

磁気リコネクションモデル （フレア「標準」モデル）
Carmichael (1964); Sturrock (1966);
Hirayama (1974); Kopp & Pneuman (1976)

プラズマ 太陽大気を構成する物質のプラズマ： 原子内の電子がはぎとられて、電荷をもったイオンと電子とが自由に飛び回っている状態• 固体： 原子が規則正しく並んでいて、形が定まっている• 液体：原子同士の結びつきがやや弱く、形が定まらない• 気体：原子同士の結びつきが弱く、ほぼ自由に飛び回っている

http://p-grp.nucleng.kyoto-u.ac.jp/plasma/磁気流体
プラズマを巨視的に眺めると「導電性のある流体」すなわち磁気流体1992-2-21イベント
𝜌 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 , 𝑇 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 , 𝑝(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡)
𝑉 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 , 𝐵(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡)（Tsuneta et al. 1992）

JAXA ようこう衛星

磁気流体の方程式

磁気流体の方程式

大体の場合、紙と鉛筆では無理！

理論の望遠鏡
スーパーコンピュータ

方程式をコンピュータに載せる𝜌 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 , 𝑇 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 , 𝑝(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡)
𝑉 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡 , 𝐵(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡)𝜌 𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡𝑛
𝜌𝑖,𝑗,𝑘𝜕𝑉𝑥
𝜕𝑝 1𝜌=− +𝜕𝑡𝜕𝑥 𝑐

𝐽Ԧ × 𝐵 𝑥

𝑝𝑖+1 −𝑝𝑖⋯=−+⋯∆𝑥フレアの磁気流体シミュレーション
Yokoyama & Shibata (1998)

48/３２

フレアの磁気流体シミュレーション
Yokoyama & Shibata (1998)

49/３２

1992-2-21イベント（Tsuneta et al. 1992）

JAXA ようこう衛星

なぜシミュレーション？
見えないところを「見る」
観測できる範囲は、さまざまな条件で制約されている。
装置性能 空間・時間分解能
観測条件 地球大気の影響、観測波長
電磁波の透過条件 星内部の観測は困難
遠方天体
アイディアを試す
数値的に実験して、観測を説明し、定量的・定性的な予言をおこなう

太陽内部の熱対流運動

Hotta, Rempel, TY (2013)

太陽内部の熱対流運動

Hotta, Rempel, TY (2013)

太陽内部
熱対流による磁場生成
Hotta,Rempel, TY(2013)

太陽プロミネンス（低温雲）の形成(Kaneko & Yokoyama, 2017)

コンピュータによる太陽研究：まとめ
見えないところを「見る」
観測できる範囲は、さまざまな条件で制約されている。
装置性能 空間・時間分解能
観測条件 地球大気の影響、観測波長
電磁波の透過条件 星内部の観測は困難
遠方天体
アイディアを試す
数値的に実験して、観測を説明し、定量的・定性的な予言をおこなう