太陽研究体験ツアー2010＠飛騨天文台

爆発だらけの太陽と宇宙―磁場から宇宙の謎にせまる～私の研究変遷史（1973－2010）～

柴田一成
京都大学 理学研究科 附属天文台 台長
京都大学 宇宙総合学研究ユニット ユニット長

参考文献

参考文献
＄７０（１９９７，Addison-Wesley)＝＞＄４３（２００２Westview:soft coverversion)• 1999年• 裳華房• 4300円

2004年２月
定価：
４５００円

日本評論社2009年3月
2835円

松本紘編
（松本紘、小山勝二、柴田一成、山川宏、篠原真樹 共著）
ナノオプトメディア
2009年
2850円＋税
付録ＤＶＤ付き2010年1月30日発行
税込で1018円
2010年度
講談社科学出版賞受賞！

１．大学（京大理学部）（1973－1977）
活動銀河核とそこから噴出するジェットを解明したいクェーサーの発見
1960年代星のように見えるが距離を測ると、25億光年可視光（３C２７３）

普通の星までの距離は数光年～数１０光年

ものすごく明るい（星の明るさの1億倍の1億倍の明るさ）
膨大なエネルギーを放出
宇宙最大の爆発 ＝ 天文学・宇宙物理学最大の謎！

その正体は「銀河」の中心核

楕円銀河 Ｍ８７ジェット中心核

活動銀河核ジェット（距離＝５億光年、長さ＝３０万光年）

様々な現象のエネルギー現象• 水爆（１５メガトン）

エネルギー（Ｊ）
６ｘ１０１６

１１０００倍• 地球上の全核兵器
４ｘ１０１９• 太陽フレア
１０２２ー１０２５ １０万ー１億倍• 原始星フレア
１０２７ー１０２９ １００億ー１兆倍
１兆の１０００兆倍• 超新星爆発
１０４４• 活動銀河核（全エネルギー）～１０５５～１兆の１００兆倍の１兆倍

私の青春の夢
宇宙最大の謎の活動銀河核（とそのジェット）を生きているうちに解明したい！
しかし、本体の直接観測は遠い未来。
ならば身近な太陽面爆発（フレア）や他の類似の天体フレア・宇宙ジェットにヒントを探し、ＭＨＤプラズマ理論でせまる。（私の戦略）２．大学院修士（京大宇宙物理）（1977－1979）：

天体爆発現象のひな型の太陽フ
レアと太陽ジェットを研究し、理論、特に、電磁流体シミュレーションでせまる• ところが、修士論文のテーマは、やりたいジェットの研究テーマとはならなかった、、、• 川口教授の術中にはまってしまった、、、

修士論文• 太陽浮上磁場の2次元電磁流体シミュレーション– M2の6月：Fortran習得– 7月―8月：クーラン・ヒルベルトの本「数理物理学の方法」を勉強– 9月：2次元電磁流体シミュレーション・コードを書きだす– 10月ー11月：デバッグ– 12月：ようやくバグが取れて完成– 1月：ところが計算速度が遅すぎて、太陽浮上磁場のシミュレーションは不可能であることが判明– 2月：一応、修士論文にまとめる（しかし、レフェリー論文にはならず）浮上磁場(Emerging Flux)とは？
• 生まれたばかりの活動領域（誕生後、3日以内）

私の修士論文の一部

最初のレフェリー雑誌論文（博士進学後に1次元流体計算、論文執筆投稿）

３．大学院博士（京大宇宙物理）（1979－1981）：

様々な太陽ジェット（スピキュール、サージ、、、）を研究

スピキュール

磁力線が超粒状斑のふちに掃き寄せられそこで謎のスピキュール（ジェット～秒速約３０ｋｍ）が噴出している。足元に輝点。

飛騨天文台 Hα観測

サージ

飛騨天文台Hα観測

磁力線に沿った運動、速度 100－200 km/s
足元にはサブフレア

スピキュールの1次元流体シミュレーション（末松、柴田、西川、北井 1982)
densityvelocity

衝撃波が伝播、増幅、ジェットを加速

shocks
小爆発
Height (100 km)

Height (100km)

博士論文• ようやく2次元
MHDコードを活用• 小爆発を仮定• 小爆発の原因は未解決

４．愛知教育大助手・助教授（1981－1991）：

太陽ジェットのモデルを宇宙ジェットに応用し、世界で最初に宇宙ジェットの電磁流体シミュレーションに成功[1985、1986]

活動銀河核ジェット（距離＝５億光年、長さ＝３０万光年）

原始星ジェット
(ＨＨ１－２ ： 長さ約１光年）（ハッブル宇宙望遠鏡：可視光観測）

近接連星系 jet（SS433: X-ray/ASCA）

Secondary star is either a black hole or a neutron star原始星ジェットと降着円盤

宇宙ジェットの特徴（まとめ）活動銀河核中心天体

ジェットの長さジェットの速度
脱出速度

近接連星系

原始星

超巨大ブラッ ブラックホークホール
ルまたは中性子星
１００万光年 １０光年

原始星c

0.3c - c

100km/sc

0.3c - c

100km/s

１光年

宇宙ジェットはいかにして発生したのか？
• 中心に星またはブラックホール• そこにガスが降着＝＞降着円盤• エネルギー源は重力エネルギー• 重力エネルギーをいかにしてジェットの運動エネルギーに変換するか？

宇宙ジェットの謎• １光年以下から、１００万光年の大きなスケールまでジェットが同じ方向に保たれているのはなぜか？
（＝＞回転）• ジェットは、いかにして加速されるか？
• ジェットを、細長く絞っている力は何か？
• これらの謎を解くためのヒントが、身近な太陽にある！！

飛騨天文台 Hα観測

太陽のヘリカル・回転ジェットの噴出(Kurokawa,Hanaoka,
Shibata,Uchida1988 )太陽フレア／ジェットの観測・理論からのヒント• 直接のエネルギー源は磁気エネルギー（元は核エネルギー）• プラズマは磁気力によって加速される• ヘリカル・フィラメント（磁力線）構造が普遍的に出現• 細長い構造は、磁気力によって容易に形成される

太陽のヘリカル・ジェットのモデル

Shibata andUchida 1986

捻じれた磁束がほどけるときにジェットが噴出宇宙ジェットの磁気流体シミュレーション（内田・柴田1985、柴田・内田1986） 世界初降着円盤が磁力線をねじることによりヘリカル磁場生成

磁力線

円盤磁気力で加速
磁気張力でジェットを細く絞る（ピンチ）時間変化

ジェットの速度～円盤の回転速度程度～中心天体の脱出速度程度

ヘリカル原始星ジェット

Y. Uchida 内田豊 1986.

宇宙ジェットの電磁流体モデル（工藤、松元、柴田 ２０００）銀河・降着円盤におけるパーカー不安定性の研究（１９８７，１９８８）太陽浮上磁場のモデル（１９８９）
松元亮治、堀内敏朗（故人）、花輪知幸の各氏との共同研究

Parker instability(Parker 1966)

Instability occurs if magnetic buoyancy becomes larger than
Restoring magnetic tension

Typical wavelength :time scale :  c  2H  0.6kpc
 Parker  3H / VA  3 107 yr

Explains formation of large scale interstellar cloudNonlinear evolution of Paker Instability(Matsumoto, Shibata, Horiuchi, Hanawa 1989)

Nonlinear evolution of Paker Instability(Matsumoto, Shibata, Horiuchi, Hanawa 1989)

Nonlinear evolution of Paker Instability(Matsumoto, Shibata, Horiuchi, Hanawa 1989)

Nonlinear evolution of Paker Instability(Matsumoto, Shibata, Horiuchi, Hanawa 1989)

Molecular cloud distribution in ourGalaxy

銀河系中心、南十字星、マゼラン雲
2007年8月7日
Novotel Rockford Palm Cove,
ケアンズ、オーストラリア（during IPELS2007)

天の川と南十字星

銀河系中心（いて座）大マゼラン雲
2007年8月8日午前4時16分（ＪＳＴ）
午前5時16分（オーストラリア時間）

太陽浮上磁場の観測

Solar emerging flux due toParker instability(柴田、野澤、松元 1989, 1990)

分子雲は銀河のプロミネンス

太陽プロミネンス

飛騨天文台SMART望遠鏡によるプロミネンスはなぜ浮かんでいるのか？

京大飛騨天文台撮影５．テキサス大学核融合研究所・客員研究員（1987－1988）：

Plasma Astrophysics について幅広く
田島教授（理論プラズマ物理学者）と共同研究、英文教科書を共同執筆開始（出版は1997）

参考文献＄７０（１９９７，Addison-Wesley)＝＞＄４３（２００２Westview:
soft coverversion)

T. Tajima 田島俊樹 1986.

６．国立天文台助教授（1991－1999）：
ようこう衛星プロジェクトに参加、観測的研究にはじめて従事。
太陽フレア・ジェットの統一モデルを提唱[1996、1999]。

太陽フレアＨα１９世紀中頃発見
黒点近傍で発生＝＞
磁気エネルギーが源
サイズ～（１－１０）万ｋｍ
全エネルギー1029 - 1032erg（水爆１０万ー１億個）
太陽系最大の爆発現象

彩層１万度

発生メカニズムが1世紀以上謎
Asai et al. 2002, 2004

京大飛騨天文台

Ｘ線で見た太陽コロナ（「ようこう」衛星による） １９９１年11月

軟Ｘ線（1 keV)
２００万度ー
数千万度

ようこう
衛星による
コロナは爆発（フレア）だらけ！

フレアの正体
HαX線

磁気リコネクション（磁力線つなぎかえ）磁気リコネクションとは？
磁力線（「ゴムひも」に似た性質）

http://www-solar.mcs.st-andrews.ac.uk/~eric/

磁気エネルギーを短時間の内にプラズマの運動エネルギーや熱エネルギーに変換

地球磁気圏でも発生

太陽コロナにもジェット発見（ようこう軟Ｘ線）• 足元で小さなフレア• 長さ＝数万ー数１０万ｋｍ• 速度＝１０－１０００ｋｍ／ｓ

コンピュータ・シミュレーション（横山と柴田、1995年, Nature ）磁気リコネクション機構により説明に成功

様々なフレア現象からプラズマ噴出（Plasmoid (flux rope) ejections）が普遍的に発生していることが発見された

Unifiedmodel

LDE(Long DurationEvent) flares~ 10^10 cm
impulsive flares~ 10^9 cm
大山と柴田CMEs(Giant arcades)~ 10^11 cm

Plasmoid-Induced-Reconnection(Shibata 1999)

Summary of “flare/CME”
observations with Yohkoh“flares”

Size (L) Lifetime(t)microflares

103 104 km(1-3) x
104 km

ImpulsiveflaresLong duration (3-10)x(LDE) flares
4

10 km

Giantarcades

105 106 km

Alfvéntime (tA)t/tA

Massejection

1001-10 sec
1000sec
10 min – 10-30
1 hr
sec

~100

jet/surge~60-100

X-ray
plasmoid/Spray

1-10 hr~100-300 X-ray

30-100sec

plasmoid/
prom.
eruption

10 hr – 2 100-1000 ~100-300 CME/prom.
eruptiondays
secUnified model(plasmoid-inducedreconnection model)(Shibata 1996, 1999)(a,b)： giant arcades,LDE/impulsive flares,CMEs(c,d) ：impulsive flares,microflares, jets
2dE B 2B2
22

VL

10V
L
Energy release rate＝inA
dt 4
4

世界初の熱伝導を含むＭＨＤリコネクション計算（Yokoyama-Shibata 1998)

ようこう
軟Ｘ線望遠鏡で観測された太陽フレア

フレア温度の scaling law の発見（Yokoyama and Shibata 1998, 2001）

  8p / B 2T B

6/ 7 2/ 7L

７．京大理附属天文台教授（1999－）
太陽フレア、恒星フレア、原始星フレアの統一モデル[1999、2002]、さらにマグネター、ガンマ線バースト研究へ。
フラクタル・リコネクション説提唱[2001]恒星フレア（proxima Cen)
• 太陽フレアにそっくりのＸ線
強度度時間変化を示す

原始星フレア（Ｘ線／あすか衛星：小山ら１９９５）
温度～１億度
太陽フレアのエネル
ギーの１万倍以上

原始星フレアは、磁気リコネクション説で説明できるか？
• Yes• 間接的な証拠が、
2 3
Emission Measure ( EM  n L )vs Temperature の関係に見つかった(Shibata and Yokoyama 1999、2002)

太陽・恒星フレアの Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅ（ＥＭ＝ｎ２Ｖ） は温度（Ｔ）とともに増大（n：電子密度、Ｖ：体積）(Feldman et al. 1995)

太陽・恒星フレアのＥＭ－Ｔ関係

Feldmanet al. (1995)の図のLog-log plot

太陽・恒星フレアのＥＭ－Ｔ関係

マイクロフレア(Shimizu 1995)

太陽・恒星フレアのＥＭ－Ｔ関係

原始星フレアあすか(Koyama et al.
1996, Tsuboiet al. 1997)

磁場強度（Ｂ）＝一定
5EM  B T

17 / 2太陽フレアも原始星フレアも、平均磁場強度は同じくらい５０－１００Ｇ程度

フレアループの長さ＝一定

原始星フレアが１億度であるのは、フレアループのサイズが大きいため

原始星フレアのモデル（林、松元、
柴田 １９９６）

フレアのＥＭ－Ｔ図はＨＲ図に似ている！(Shibata and Yokoyama 2002)

主系列フレア降着円盤でもフレア（リコネクション）が起こる！
(Kudoh, Matsumoto, Shibata 2002, PASJ)

磁気回転不安定性 (Balbus and Hawley 1991) により円盤は乱流状態になり、磁気リコネクション（爆発）だらけになるガンマ線バースト• 発見以来２０年以上、どこで起きているかも謎だったが、最近ようや
く数１０億光年かなたの銀河で発生していることが判明• 正体はいまだ謎（もしや電磁ジェット？）ブラックホール降着円盤から噴出するジェットの一般相対論的ＭＨＤシミュレーション(Koide, Shibata, Kudoh 1998,1999,2000)

世界初

Maximum Lorentz factor～２＝＞real limit ?

ガンマ線バーストのモデル（コラプサー）のシミュレーション
水野ら(2004)ApJ

中心にブラックホールが形成、ブラックホールに大量のガスが落ち込むときに、磁場の力により ０．２ｃ の高速ジェットが発生

８. ひので衛星プロジェクト（2006－）－彩層アネモネジェット、ユビキタス・リコネクション説提唱。

Prediction of ubiquitous jets in the solaratmosphere (Shibata 1998)

彩層アネモネ型ジェットの発見(Shibata et al. 2007 Science)

2006 Dec 17 20:00-21:00 UT

ひので衛星可視光望遠鏡で見た彩層（CaII H filter）

毎日新聞2007年12月7日朝刊

巨大ジェットの「ひので」による観測とコンピュータシミュレーションの比較（西塚、清水、柴田ら ２００８）

磁気リコネクション・モデルで再現成功

９．最近（２００５－現在）
宇宙天気予報の基礎研究。
地球物理学者と共同研究。

コロナ質量放出（ＣＭＥ）（フレアにともなうコロナ・プラズマの噴出流＝＞地球に影響）

速度～秒速１００－１０００ｋｍ、質量～１０億トン（ＳＯＨＯ／ＬＡＳＣＯ，可視光／人工日食）

2003年10月28日の太陽面爆発(太陽フレア)とそれによる磁気嵐

フレア・コロナ質量放出のモデル（2次元電磁流体シミュレーション）(Shiota et al. 2005)

数値宇宙天気予報へ向けて（太陽ー地球間現象の数値シミュレーション） 草野、塩田、片岡、柴田ら
太陽フレア

太陽風から地球へ

太陽コロナ質量放出

数値宇宙天気予報へ向けて（太陽ー地球間現象の数値シミュレーション）

ステレオ衛星による観測
STEREO Gallery

1AU•

 Simultaneous observations from two different
vantage points•

 STEREO-A(head) STEREOB(ehind)101

M. Temmer COSPAR-10

Seamless obser-vations
from Sun to Earth andbeyond
SECCHI instrument
suite: EUVI, COR1,COR2, HI1, HI2
Howard et al., 2008

ちょっと こわい話

太陽放射線による被爆の危険性

恩藤、丸橋「宇宙環境科学」より

巨大フレアの発生頻度（GOES クラス分類：X線強度で分類）
••
•
••
•
•••
•••
•
••

年 X M C---------------1989 59 620 1929
1990 16 273 2262
1991 54 590 2653
1992 10 202 1922
1993 0 74 1142
1994 0 25 336
1995 0 11 148
1996 1 4 81
1997 3 21 286
1998 14 94 1188
1999 4 170 1854
2000 17 215 2223
2001 21 310 2101

Ｃクラスフレアは１年に１０００回Ｍクラスフレアは１年に１００回
X線強度が１０倍にＸクラスフレアは１年に１０回なると発生頻度がＸ１０クラスフレアは１年に１回１０分の１になる
Ｘ１００クラスフレアは１０年に１回
Ｘ１０００００クラスフレアは１万年に１回？

太陽と生命、人間• 過去に超巨大フレアが起きて生命に影響を与えたかもしれない
恐竜の絶滅原因は超巨大フレアか？

生命の大量絶滅

5億4千万年前

2億5千万年前

Md=現代型、Pｚ＝古生代型、Cm＝カンブリア紀型

恐竜絶滅

6500万年前
磯崎氏より

太陽と生命、人間• 過去に超巨大フレアが起きて生命に影響を与えたかもしれない
恐竜の絶滅原因は超巨大フレアか？
• 生まれたばかりの星は超巨大フレア（太陽フレアの１００万倍の強度）を起こしていることが判明

原始星フレア（Ｘ線／あすか衛星：小山ら１９９５）
温度～
１億度
太陽フレアのエネル
ギーの１万倍以上

太陽と生命、人間• 過去に超巨大フレアが起きて生命に影響を与えたかもしれない
恐竜の絶滅原因は超巨大フレアか？
• 生まれたばかりの星は超巨大フレア（太陽フレアの１００万倍の強度）を起こしていることが判明• 地球上の生命は太陽活動の嵐をいかに生き延びてきたのか？

太陽と生命、人間• 過去に超巨大フレアが起きて生命に影響を与えたかもしれない
恐竜の絶滅原因は超巨大フレアか？
• 生まれたばかりの星は超巨大フレア（太陽フレアの１００万倍の強度）を起こしていることが判明• 地球上の生命は太陽活動の嵐をいかに生き延びてきたのか？
• 今後、人類は太陽放射線の荒れ狂う宇宙空間に進出することができるのか？ 人類は今後も生き延びることができるのか？
宇宙天気研究から宇宙生物学・宇宙生存学へ

１０．今後：宇宙天気研究から宇宙生物学、宇宙生存学へ。

生物学者と共同研究へ。

むすび• 近年の太陽観測とコンピュータシミュレーションの発展により、太陽フレアのエネルギー解放は磁気リコネクションによるという説が、ほぼ確立した。原始星フレアも、磁気リコネクション説が有力。ただし、リコネクションの物理は未解決。
• 宇宙ジェット現象は、太陽面爆発現象と類似の電磁流体力学的機構によって発生しているという説が、活発に議論されるようになってきた。ただし、まだ解決にはほど遠い。
• 観測が発展するにつれ、宇宙は爆発現象に満ちていることが明らかになってきた。 例えば、ガンマ線バースト。
• 宇宙天気予報研究から宇宙生物学・宇宙生存学へ

太陽研究を出発点にして、天体爆発現象や宇宙生命の謎を一緒に研究しましょう！