太陽・恒星・星形成領域で見られる激しい爆発・ジェット現象の起源についてたかさお しんすけ

名古屋大学 学振PD 高棹 真介

image: SDO/AIA (NASA)白色光でみた太陽軟X線でみた太陽(> 2 x 10^6 K)

私の研究動機
星・惑星の誕生過程が知りたい
分子雲

原始星誕生

~1-100 au

円盤進化・
惑星形成
主系列星

~100 au~10,000 au星の磁気活動性はシステムに大きな影響を与える
しかし原始星は遠い上にガスに埋もれていて観測が難しい・・・。
なら太陽の理解から始めよう！（私の場合）

本講演の目標
降着を受ける若い星

NASA/JPL-Caltech/R.Hurt (SSC)➤ 太陽表面上の爆発・ジェットの基礎物理を概観➤ 太陽物理と他の恒星・星形成領域のつながりを議論アウトライン➤ 太陽・恒星・原始星の爆発現象の概観➤ 爆発・ジェットの基礎知識・基本物理➤ 太陽物理から挑戦できる宇宙物理の問題

太陽の大気構造
太陽は幅広いプラズマパラメータの
現象の宝庫

コロナ
遷移層
彩層

温度：2桁
密度：8桁以上!!
(光球~彩層上部では6桁)

光球
NAOJ/JAXA

磁場と太陽大気構造の関係
Stokes V (〜視線方向磁場)

SOHO/MDI

軟 X 線 (> 10^6 K)

Hinode/XRT

磁場が上空大気の重要なエネルギー源

ダイナミックな彩層
Hinode/SOT
NAOJ/JAXA青：G-band (光球)オレンジ：Ca II H (彩層)

彩層は静かな”層”ではなくジェットの集合体
Hinode/SOTCa II H 線の画像（~1万Kのプラズマ）

NAOJ/JAXA

コロナ
この部分が
いわゆる彩層
彩層はスピキュールと呼ばれるジェットの集合体。
だから太陽大気を理解するにはジェットについても知らなければいけない。

黒点、活動領域

彩層

光球磁場
courtesy: T. Shimizu

・内部から浮上した磁束管の断面が黒点・黒点が暗いのは磁場が対流によるエネルギー供給を妨げるから

コロナ
光球・彩層
内部
Zwaan 1985

磁場の束
（磁束）

磁場浮上の3Dシミュレーション
ST+15b, Toriumi & ST 17表面上の磁場の起源：ダイナモ

放射層からの熱エネルギー
̶> 熱対流の運動エネルギー

対流層

放射層

̶> 磁場のエネルギーへ転換（磁場を引き延ばすなどで増幅）
この 運動エネ ̶> 磁気エネの転換プロセスを一般にダイナモと呼ぶ

https://solarscience.msfc.nasa.gov/interior.shtml

太陽フレアコロナにおける数千万Kの高温プラズマの発生を伴う
爆発現象

太陽表面付近（彩層） Ca II H line (Hinode/SOT)

サイズ：10^9 - 10^10 cm
エネルギー：10^29 - 10^32 erg
継続時間：10^2 - 10^5 s

エネルギー源：
黒点近傍の磁気エネルギー
B2
E⇡
V
8⇡
✓
◆2 ✓
◆3
B
L
33
⇡ 10
erg
3
9
10 G
3 ⇥ 10 cm<latexit sha1_base64="Ym+HaT9Xx/tP2Z9nqaWZ1jH2/ow=">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</latexit>

大きい黒点ほど大きなフレアを起こすことができる

太陽フレアコロナにおける数千万Kの高温プラズマの発生を伴う
爆発現象
・先端の尖ったアーケードが出現（フレアループと呼ぶ）
・エネルギー解放はループ内ではなく、フレアループの上空で発生（後述）

太陽コロナ（極端紫外線）

レビュー :
Shibata & Takasao 2016

太陽表面

courtesy: W. Liu

プロミネンス噴出、コロナ質量放出 (CME)
太陽表面付近 (304Å)
SDO/AIA

白色光(SOHO/LASCO)
太陽

太陽表面付近：プロミネンス

星間空間：CME

速度 : ~10-1,000 km/s
平均質量： 3.5 ⇥ 1014 g ⇡ 2 ⇥ 10 19 M

(Gopalswamy+09)<latexit sha1_base64="l9veUbVmmr4q5CwuJJe40wThbkk=">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</latexit>

・プロミネンス・CME は宇宙天気研究の主要なターゲット
・CME 前面にできる衝撃波で高エネルギー粒子（宇宙線）を生成
̶> 地球に直撃したら影響大、当たらなくても影響あり

恒星フレア
太陽型星のスーパーフレア：太陽フレアの 10-10,000 万倍のエネルギー
クレジット：京都大学

Maehara+12, Shibayama+13, Notsu, Y. +2015

スーパーフレアの問題：➤ 太陽フレアと統一的に理解できるか？ (e.g. Shibata & Yokoyama 02, Tsuboi+16)➤ どうやって大黒点を作るのか (ダイナモ)？（e.g. Shibata+13, Choudhuri 16）原始星フレア、前主系列星フレア
低温 (10-100K) の星形成領域で 1億K !!

Koyama+96, Tsuboi+00, Montmerle+00

エネルギー： 10

35 37

erg
最大級の太陽フレアの 103 5 倍！ 発生過程は謎
星・惑星の誕生の場は爆発に満ち満ちている<latexit sha1_base64="k7SBRryHYhg0rsRbrcx6pjfgOVQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="xURJS7Kq+0h8FxpXZ00rIkvVaG8=">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</latexit>よくある質問

見た目は派手だがマイナーではないか？
エネルギー
太陽光度
最大級の太陽フレア
原始星フレアフレアが起きても星の全放射量はほとんど変わらない
質量損失率

14
19
3.5
⇥
10
g
⇡
2
⇥
10
M
CMEの平均質量<latexit sha1_base64="l9veUbVmmr4q5CwuJJe40wThbkk=">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</latexit>

2

ṀCM E ⇡ 4 ⇥ 4 ⇥ 10 ⇥ MCME,ave ⇡ 3 ⇥ 10

16

M

yr

1

<latexit sha1_base64="K/HxRnhw719fby3XFSaTO3lBtuY=">AAAC9HichVFNT9RQFL1TBXH8YNCNCZvGCYYFTm6RiLoiEhI3k/A1QkKxaTsPfKHte3l9MzA25QfwB1gQFmpYGBK2/gA2/AFJ+AnGJSZuWHjbKRAl4mvae95559zXk+vJgMca8aRk3LjZ03ur73b5zt179/srAw/exqKlfNbwRSDUoufGLOARa2iuA7YoFXNDL2AL3tpkdr7QZirmIprXHcmWQ3c14ivcdzVRTkXaTaGTeuokk/Wp1HalVGLDHLM1D1l8US18N2oWuO4ktgpNko+Ybpul5rnp2aU4eWo9Tzfrji2o+2au76g0o1OnUsUa5su8CqwCVKFY06LyFWxoggAfWhACgwg04QBciOlZAgsQJHHLkBCnCPH8nEEKZfK2SMVI4RK7Rt9V2i0VbET7rGecu326JaBXkdOEIfyGX/AUj3Afv+PZP3sleY/sXzpUva6XSad/69Hcr/+6Qqoa3l+6rnF4pL4+k4YVeJFn4ZRN5kyW0u/2b3/YPp17NTuUPMFP+IPyfcQTPKSEUfunvzfDZnegTAOy/h7HVdAYrb2sWTNj1YnXxaT6YBAewzCNYxwm4A1MQ4OuPYazUk+p11g3do3Pxl5XapQKz0P4YxkHvwERErmr</latexit>

1日の平均回数(Gopalswamy+09)

１年の日数

太陽風（ Ṁ = 2 ⇥ 10

14

M

yr

1

）の数 % 程度

<latexit sha1_base64="vrjDccGRLwT5r75uIq6O6q1BJ5M=">AAACsnichVFNS9xQFD2Ttn5MrU7rRnAzOCjddLgRxSoIoptuhJnRqcLEDkl86sN8kbwZGEP8Aa4FF1214EL8AYVu7aJ/oAt/gri00E0XvckESiu1N7y888695753uFbgyEgRXRe0R4+fDAwODRefjjwbHSs9f/E28juhLZq27/jhtmVGwpGeaCqpHLEdhMJ0LUdsWYdraX6rK8JI+t6m6gVixzX3PbknbVMx1S5VjV1fxevJ8qyhpCuisk7v4lf6XHK83jZ8zh3HRuiWe2GS0km7VKEqZVG+D/QcVJBHzS99goFd+LDRgQsBD4qxAxMRfy3oIATM7SBmLmQks7xAgiJrO1wluMJk9pD/+3xq5azH57RnlKltvsXhFbKyjGn6Rhd0R1/pkm7o5z97xVmP9C093q2+VgTtsZOJjR//Vbm8Kxz8Vj2gsLj6YU8Ke3ideZHsLciY1KXd7989OrvbWGpMxzP0kW7Z3we6pit26HW/2+d10XiPIg9I/3sc90FztrpY1etzlZXVfFJDmMQUXvI4FrCCN6ihydee4jOu8EWb11qaqdn9Uq2Qa8bxR2jOL7dEoig=</latexit>

エネルギー・質量的に重要じゃないから宇宙物理学的に無視OKでは？
そんなことはない！（と研究しているなら言い返せないといけない）

なぜ星のフレア・ジェットなどを研究するか➤ 素過程が宇宙物理学的に普遍的かつ重要だから➤ フレア：宇宙の多様な爆発現象のプロトタイプ➤ 研究のゴール：「素過程の理解」、「宇宙ジェットの統一的理解」等➤ 星にとってエネルギー的にはマイナーでも、自分が注目するシステムに対しては重大な影響を及ぼすから➤ 地球視点：宇宙天気➤ 星形成視点：低電離ガスの電離度を変え質的変化➤ 研究のゴール：「システムへの影響の解明」、「星からのフィードバックがある系の進化過程解明」等
他分野の人と話すときはこのような形でモチベーションを説明すると伝わりやすい

例：冷たい星・惑星形成領域におけるフレア・ジェット
星形成領域のガスは低温・低電離でダイナミクスに関わるミクロ物理が電離度に依存

衝撃波
高エネルギー粒子ジェット

フレアによる
X線・高エネルギー粒子

電離NASA/JPL-Caltech/R.Hurt (SSC)

周囲の低電離ガスの電離・化学状態を変化 ̶> 星・惑星形成過程にインパクトe.g. Padovani+15, Ilgner & Nelson 06

アウトライン➤ 太陽・恒星・原始星の爆発現象の概観➤ 爆発・ジェットの基礎知識・基本物理➤ 太陽物理から挑戦できる宇宙物理の問題

磁場は上空で重要になりやすい➤ ガス圧は高さとともに急激に減少（等温なら exponential）➤ 磁場のエネルギーの減少はそれよりも緩やか（双極磁場なら➤ よって上空では磁場優勢領域が形成 ̶> コロナがその典型

コロナ

B/z
<latexit sha1_base64="rD+drmL2c1ainXzR9ttd/V+YZOI=">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</latexit>

磁場優勢

彩層
NAOJ/JAXA

光球

ガス優勢

・重力成層大気の一般的性質（恒星・惑星大気、ブラックホール降着円盤 etc）
・だから太陽コロナは磁場による爆発だらけ

3）磁化したガスを記述する理論：磁気流体力学
磁気流体力学 (MHD)= 基礎方程式: 流体方程式 + Maxwell 方程式（ミクロな物理は拡散係数などの輸送係数を通じて入る）

コロナ

彩層
NAOJ/JAXA

光球

わずかでも電離していれば多くの場合 MHD 方程式を使うことができる
参考図書：E. Priest “Solar magnetohydrodynamics”, Kulsrud “Plasma physics for astrophysicists”,
坂下・池内「宇宙流体力学」

MHD の重要な性質
ガスが（部分的にでも）電離していたら、ガスのダイナミクスと磁場のダイナミクスはカップルする

磁場

磁場の拡散がない限り、プラズマは磁場を引きずる➤ 磁場を横切って動けない➤ 磁場に沿って動くのは容易
➤

プラズマ

e

この性質は “frozen-in” (磁場の凍結) と呼ばれる

MHD の重要な性質
Lorentz force
1
J ⇥B =(r ⇥ B) ⇥ B =
4⇡

r

✓

◆
2

B
8⇡

磁気圧勾配力1+(B · r)B
4⇡
磁気張力

磁場
プラズマ

磁気張力
(磁場は流体とカップルするとゴム紐と同じように振る舞う)

磁気張力が生じる波動：アルフベン波（非圧縮、磁力線の横揺れ運動）frozen-in 条件が磁気ループを見やすくする

TRACE 衛星による極端紫外線によるコロナ画像

まず定常コロナを理解しよう （超重要）
Rosner + 78 (RTV) : 太陽コロナの温度・密度・ループ長の間には以下の関係
RTV スケーリング: エネルギー注入率 ~ 熱伝導冷却率 ~ 放射冷却率3

Tmax ⇠ 1.4 ⇥ 10 (pL)1/3(太陽組成の放射冷却関数のとき)

放射冷却
熱伝導冷却

エネルギー注入atomic physics で決まる、定常大気を記述する一般的な関係式
太陽以外でも使える： ST+17: 降着円盤大気・ジェットに応用フレアは磁気リコネクションが駆動
太陽コロナ

何らかの過程で反平行成分を持つ磁場を形成
̶> 磁力線のつなぎ変え（磁気リコネクション）
̶> 磁気エネルギーを解放 ̶> フレア、コロナ質量放出磁気リコネクションについてもう少し 1/2
電流密度大

よくある説明：
電気抵抗のせいで電流が散逸。
電流を作る磁場が消えるが磁力線は途中でブツッと切れてはいけないのでつなぎ変わる
̶> リコネクション

いきなり磁力線のつなぎ変えを考えるのではなく、一旦磁場をこの説明だと理解しにくい・・・
ベクトル場にしてから考えるとわかりやすい<latexit sha1_base64="8XtCebShcLCE1uCifRpVqMWtLNs=">AAAB6XicbVBNS8NAEJ3Ur1q/qh69LBbBU0mkoMeCF49VTFtoQ9lsN+3SzSbsToQS+g+8eFDEq//Im//GbZuDtj4YeLw3w8y8MJXCoOt+O6WNza3tnfJuZW//4PCoenzSNkmmGfdZIhPdDanhUijuo0DJu6nmNA4l74ST27nfeeLaiEQ94jTlQUxHSkSCUbTSA6GDas2tuwuQdeIVpAYFWoPqV3+YsCzmCpmkxvQ8N8UgpxoFk3xW6WeGp5RN6Ij3LFU05ibIF5fOyIVVhiRKtC2FZKH+nshpbMw0Dm1nTHFsVr25+J/XyzC6CXKh0gy5YstFUSYJJmT+NhkKzRnKqSWUaWFvJWxMNWVow6nYELzVl9dJ+6ruuXXvvlFrNoo4ynAG53AJHlxDE+6gBT4wiOAZXuHNmTgvzrvzsWwtOcXMKfyB8/kDFLqNAQ==</latexit>

流体力学会誌ながれ vol. 36 に記事を寄稿

磁気リコネクションについてもう少し 1/2
電流密度大

よくある説明：
電気抵抗のせいで電流が散逸。
電流を作る磁場が消えるが磁力線は途中でブツッと切れてはいけないのでつなぎ変わる
̶> リコネクション
ベクトル場での考え方：
電流を作る磁場の反平行成分だけが散逸
̶> 横向きの磁場だけ残る
̶> このベクトルを元に磁力線を描くと右上図になる<latexit sha1_base64="8XtCebShcLCE1uCifRpVqMWtLNs=">AAAB6XicbVBNS8NAEJ3Ur1q/qh69LBbBU0mkoMeCF49VTFtoQ9lsN+3SzSbsToQS+g+8eFDEq//Im//GbZuDtj4YeLw3w8y8MJXCoOt+O6WNza3tnfJuZW//4PCoenzSNkmmGfdZIhPdDanhUijuo0DJu6nmNA4l74ST27nfeeLaiEQ94jTlQUxHSkSCUbTSA6GDas2tuwuQdeIVpAYFWoPqV3+YsCzmCpmkxvQ8N8UgpxoFk3xW6WeGp5RN6Ij3LFU05ibIF5fOyIVVhiRKtC2FZKH+nshpbMw0Dm1nTHFsVr25+J/XyzC6CXKh0gy5YstFUSYJJmT+NhkKzRnKqSWUaWFvJWxMNWVow6nYELzVl9dJ+6ruuXXvvlFrNoo4ynAG53AJHlxDE+6gBT4wiOAZXuHNmTgvzrvzsWwtOcXMKfyB8/kDFLqNAQ==</latexit>

流体力学会誌ながれ vol. 36 に寄稿

磁気リコネクションについてもう少し 2/2
リコネクション アウトフローp
速さ ~ VA = B/ 4⇡⇢

電流密度大<latexit sha1_base64="sB0hPrj7wILCXvgetiZqnCZXHzM=">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</latexit>

リコネクション インフローp⇡
B 2 /8⇡

内部エネ/磁気エネ

✓

cs
VA

◆2

⇡ 0.01

0.1

コロナでは容易に cs ⌧ VA ̶> アウトフローは衝撃波形成
フレアにおける高温プラズマの形成、粒子加速(?)<latexit sha1_base64="lrK4hq2MW7HbS8oRlG0yoQbUh6A=">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</latexit>
sha1_base64="CphwqMkORJeuT7hJs2jhmeS06Tc=">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</latexit>
sha1_base64="R5axrg2X8M1R4oO1axoVCexux2Q=">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</latexit><latexit sha1_base64="4FO7NSuTpagtjiHgxMdkpXm1KkY=">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</latexit>

太陽フレアのシミュレーション

コロナ
彩層

ST+ 15, ST & Shibata 16

アウトフロー：
細いジェットを形成
インフロー：
リコネクション領域に磁場を運びリコネクションを維持

全てのジェット = リコネクションアウトフロー？
彩層ジェット (10^3-4 km)

答えは NO
理由をエネルギーから考えてみる
磁場によって彩層ガスを高さ h 持ち上げるとき
h はジェットの高さ(
磁気エネルギー

全然持ち上がらない！！

)を説明できるか？

位置エネルギー

Hp : 圧力スケール長

彩層ジェットはどう加速されているのか？

エネルギー解放の結果を詳しく考えてみる
爆発 ̶> 音波を発生 ̶> エネルギーを伝搬
音波の波面

伝搬する線形音波のエネルギー保存を考えてみるエネルギー解放A : 波面の面積
音速 Cs = 一定の場合⇢v 2 Cs A = constv / ⇢ 1/2 / exp [+z/速度振幅は密度が小さくなるほど増加
̶> 重力成層大気では上空のガスほど簡単に加速できる

彩層でのエネルギー輸送・衝撃波形成⇢v 2 Cs A = const⇢v 2 C彩層内では音速
1/2~ 一定s A = constv / ⇢ Cs
/ exp [+z/2Hv / ⇢ 1/2 / exp [+z/2Hp ]光球~彩層上部では6桁の密度差
̶> 簡単に振幅が増大し非線形化、
v ~ Cs となると衝撃波を形成
NAOJ/JAXA

彩層下部でエネルギー解放が発生 ̶> 波 (~音波) を形成
̶> 上空にエネルギー輸送・衝撃波形成 ̶> ジェット形成
・彩層上部の低密度なガスを衝撃波で加速するので持ち上げが容易
・このような衝撃波形成・ガスの加速は重力成層大気の重要な性質(e.g. 太陽, Shibata+81, ST+13, 超新星爆発, Colgate & White 66)p

衝撃波駆動ジェットの例
太陽大気を模した
重力成層大気温度分布
エネルギー解放̶> 波でエネルギー輸送・衝撃波形成
̶> 彩層上部のガスを加速

コロナ (100万度)
線は磁力線
エネルギー解放を模した
圧力上昇領域

彩層 (1万度)

高さ方向の速度振幅の増大に注目高さ

衝撃波の種を作る機構
表面対流(縦・横波の励起)
太陽面

リコネクション
5分振動（太陽の脈動）e.g. Kudoh & Shibata 99, De Pontieu+04, Shibata+07

衝撃波の種を作る機構
リコネクション

表面対流(縦・横波の励起)
太陽面5分振動（太陽の脈動）e.g. Kudoh & Shibata 99, De Pontieu+04, Shibata+07

密度分布

ジェット

コロナ
衝撃波

彩層

Takasao+13:
彩層リコネクションとジェットの関係を説明(リコネクションアウトフロー
が衝撃波の種を生成)

渦運動が励起する衝撃波駆動ジェット
光球

赤線：流線
色 ：磁気エネルギー

Hinode/SOT, G-band
NAOJ/JAXA

Sheylag+10

渦運動が駆動するアルフベン波の非線形化 ̶> 衝撃波形成 ̶> 彩層ジェット（スピキュールなどの重要な加速過程：e.g. Kudoh & Shibata 99, Suzuki & Inutsuka 05)

渦運動が励起する衝撃波駆動ジェット
渦が (torsional) アルフベン波を生成 ̶> 波の非線形化・衝撃波 ̶> ジェット

磁力線

磁気圧勾配力が衝撃波の種を作る

Ref. Kudoh & Shibata 99, Moriyasu+04

渦運動が励起する衝撃波駆動ジェット
Iijima & Yokoyama 17
3次元計算の擬似観測

渦の回転エネ ̶> 磁気エネ
̶> 磁場で衝撃波形成
̶> 彩層ジェット

磁力線の色は温度アウトライン➤ 太陽・恒星・原始星の爆発現象の概観➤ 爆発・ジェットの基礎知識・基本物理➤ 太陽物理から挑戦できる宇宙物理の問題

今回取り上げる問題➤ 磁気リコネクション、粒子加速機構の解明➤ 標準太陽モデルの完成への挑戦➤ 太陽から迫る原始星・星周円盤進化の解明➤ (大質量星形成の謎の解明)

磁気リコネクション、粒子加速
宇宙には急速な磁気エネルギーの散逸・粒子加速を必要とするシステムが無数にある
例：パルサー風パルサー????

かにパルサー(ChandraによるX線画像, wiki)

磁場で加速

粒子の

（磁場優勢）

運動エネ優勢σ問題と言われ、
AGNジェット、GRBなどでも同様に
超重要未解決問題とされている

リコネクションの役割が注目を集めている

磁気リコネクション、粒子加速
リコネクションの古典的描像

プラズモイドの発見 (ST+12)
粒子加速の証拠を発見 (ST+16)(a)9

1.5×10 cm

現在の描像
(b)
太陽
表面

矢印：プラズマの流れ

電流シート

Huang & Bhattacharjee 10

理論予測：リコネクションは乱流的(レビュー：Shibata & ST 16)

プラズモイドの発生

太陽フレア研究からリコネクションが関係する現象（σ問題など）の理解へ

今回取り上げる諸問題➤ 磁気リコネクション、粒子加速機構の解明➤ 標準太陽モデルの完成への挑戦➤ 太陽から迫る原始星・星周円盤進化の解明➤ (大質量星形成の謎の解明)

揺らぐ基盤：標準太陽モデル
恒星モデルの基盤：標準太陽モデル (see review by e.g. Serenelli 16)

分光観測による組成決定、それをもとに星構造を構築

日振学による
星構造推定

不一致
credit : John W. Harvey, NOAO

credit : NASA/SDO

http://kingofwallpapers.com/prism.html

我々は最も身近な恒星である太陽ですら十分に理解していない揺らぐ基盤：標準太陽モデル
恒星モデルの基盤：標準太陽モデル (see review by e.g. Serenelli 16)
20 年経ってもまだ収束しない

分光観測による組成決定、それをもとに星構造を構築

credit : NASA/SDO

http://kingofwallpapers.com/prism.html

スペクトル解釈の部分に問題？（天文学的問題）
最深部における不透明度 (opacity) の理論に問題？（基礎物理学的問題）
恒星進化モデル、銀河の化学進化、惑星形成過程の理解に多大な影響

標準太陽モデルの完成に向けて組成決定に使うスペクトル線観測の解釈に必須の動的大気構造の理解が必要（具体的には放射輝線のライン幅を決めるガスの速度分散の分布など）
Iijima & Yokoyama 17 の輻射MHD計算

対流やジェットなどガスの速度分散を生む
物理過程の理解が本質的
なぜか太陽分野でこれを真剣に考えている人が意外にいない・・・
表面対流の観測・大気の輻射MHD
シミュレーションなどやっている人は是非挑戦してみるべし

参考文献：
Drake & Testa 05, Beeck+13a,b, 15a,b,
Serenelli 16 etc

今回取り上げる諸問題➤ 磁気リコネクション、粒子加速機構の解明➤ 標準太陽モデルの完成への挑戦➤ 太陽から迫る原始星・星周円盤進化の解明➤ 降着率の決定、降着衝撃波の宇宙線加速➤ 原始星周りのガス構造・原始星フレア➤ (大質量星形成の謎の解明)➤ 私の目指す方向性の１つ、

ただし今日は時間の都合でスキップ

星近傍の古典的理解
原始星初期：円盤赤道からの降着

e.g. Machida+08

原始星後期、前主系列星
強い星磁場による磁気圏降着

e.g. Königl 91, Romanova+12

円盤ガスは星磁場で急ブレーキ、
遠心力を失い自由落下
̶> 降着衝撃波

進化段階によって降着形態が異なる。降着の観測的特徴も異なる。

星への質量降着過程の不定性
若い星 (原始星、前主系列星)

降着率：星・円盤進化を特徴付ける基本量星への質量降着率の推定：
降着衝撃波から出る放射を利用
主な波長は X線、UV(e.g. Calvet & Gullbring 98, Muzerolle+98)

NASA/JPL-Caltech/R.Hurt (SSC)

X-ray, UV

現状の降着衝撃波モデルでは降着率を整合的に説明できていない
例：X線で見積もった降着率 << UV で見積もった降着率(e.g. Gullbring+98, Muzerolle+00, Curran+11)

太陽から何かわからないか？

降着を受ける星としての太陽
SDO/AIA 171Å(~60万K)

・太陽フレアの際、一度持ち上がった
プラズマの大部分は重力で落下
・星表面にぶつかる時に増光
̶> 星表面で衝撃波… 降着衝撃波！
太陽観測・モデリングから得られた１つの成果：
衝撃波周りの彩層プラズマなどによる吸収の波長依存性 (Real+13)
時空間分解 & 多波長観測ができる
太陽観測の利点を活かした研究成果

Reale+13

降着衝撃波は電離源になり得るのか？
若い星 (原始星、前主系列星)

星形成領域における電離源に関する話は星形成理論の大きな不確定要素
これまで：銀河宇宙線が主要な電離源
現在：星周囲での宇宙線加速も重要では!?
例：降着衝撃波による宇宙線加速(e.g. Padovani+15)

NASA/JPL-Caltech/R.Hurt (SSC)

太陽では空間分解・多波長観測が可能
降着衝撃波からの高エネルギー放射を調査 ̶> 粒子加速効率に制限
まだ誰もやっていないので一緒に考えてみませんか？

そもそも我々は降着流構造をどのくらい理解しているのか？
降着構造の古典的理解
原始星初期：円盤赤道からの降着

原始星後期、前主系列星
強い星磁場による磁気圏降着

しかしこの２つに分類できない天体が多数：我々の理解はまだまだ不十分（e.g. 磁場が弱いのに降着衝撃波を示す星が沢山ある, Cauley & Johnstone 14）

3D MHD モデル

Takasao+18

磁気圏なしで星磁場が弱いモデルを仮定し、降着・磁場構造を再検討

領域サイズ: 60 Rstar ~ 0.7 au
物理時間: ~300 rot ~ 0.2 yr(Herbig Ae の場合)

新しい降着モードの発見

Takasao+18

青コントア：高速降着流
矢印：速度ベクトル

Top view➤ 円盤降着＋上空からの降着という新しいモードを発見➤ 星磁場が弱くても降着衝撃波を形成 ̶> 宇宙線加速の可能性 (Padovani+15)原始星フレアの起源も未解明
B2
E=
V
8⇡

エネルギー： 1035 37 erg<latexit sha1_base64="k7SBRryHYhg0rsRbrcx6pjfgOVQ=">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</latexit><latexit sha1_base64="2A62RwRCzXWWtbkb+eOxR0C3TTc=">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</latexit>36

E ⇡ 4 ⇥ 10<latexit sha1_base64="EFXItcNUB4yHmoSE+Cz+Ydb7fNY=">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</latexit>

erg

✓

B
1000 G◆2 ✓L
1011 cm◆3

フレアのサイズが星半径スケール程度である必要性（非常に巨大！）
現在の有力な説 (Hayashi+96)
円盤の回転エネ
̶> 磁気圏の磁場をねじって磁気エネを増加
̶> 星のサイズ以上のスケールで大フレア
原始星
Hayashi+96原始星フレアの起源も未解明
降着率が高い (円盤密度が高い) と磁気圏は潰れてできない

B2
1 2
> ⇢vK
磁気圏形成の条件：
8⇡2<latexit sha1_base64="GfeHgMwp2RBJUojVjl5dtLif6mc=">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</latexit>

進化段階的にこっちにいる可能性も十分ある

磁気圏由来のフレア以外の可能性も考える必要がある新しい原始星フレアのモデル
未出版の結果なので削除させていただきますおわりに
以下私見：近年観測や理論の進展で研究対象が多様化し、お互いの興味・問題意識を共有しにくい状況になっている。
しかしそれでは分野の細分化と先細りを助長し建設的ではない。
・その研究はなぜ面白いのか、なぜ重要なのか・宇宙物理学の大きな潮流の中でどこに位置づけられるのか
・先１０年後にはどう展開していくのか、いきたいのか
これを考え続け、狭い世界に閉じこもらない姿勢が大事だと感じる
面白い研究を一緒に進めていきましょう！