周回望遠鏡が明らかにした太陽大気加熱の鍵：磁気エネルギー

太陽風で最初に検出された現象が、太陽の長年の謎を解く鍵となるかもしれません。なぜ太陽大気（コロナ）が表面より数百万度も高温なのか。地球周回の界面領域撮像分光計（IRIS）と大気撮像アセンブリ（AIA）の画像は、低高度の磁気ループが数百万度ケルビンまで加熱されている証拠を示しています。

ライス大学、コロラド大学ボルダー校、NASAマーシャル宇宙飛行センターの研究者たちは、ケイ素のような重いイオンが、太陽風と太陽の彩層とコロナの間の遷移領域の両方で優先的に加熱されることを主張しています。そこでは磁化プラズマのループが連続的に弧を描き、コロナ上空のそれらのいとこたちとよく似ています。それらはずっと小さく分析が難しいですが、ナノフレアとして知られるバースト状のエネルギー放出を駆動する磁気駆動メカニズムを宿していると長く考えられてきました。ライス大学の太陽物理学者Stephen Bradshaw氏とその同僚たちはそれを疑っていましたが、IRIS以前には十分な証拠がありませんでした。

高高度分光計は遷移領域を観測するために特別に建造されました。NASA資金による研究で、研究者たちは再接続ループ内の「明るさ増加」を記述し、そこには酸素、特に重いケイ素イオンの強いスペクトル特徴が含まれています。

Bradshaw氏、彼の元学生で現在はコロラド大学大気宇宙物理研究所の研究教員であるShah Mohammad Bahauddin氏、NASA天体物理学者Amy Winebarger氏のチームは、遷移領域ループの詳細を解像し、超高温プラズマのポケットを検出できるIRIS画像を研究しました。画像により、イオンが発する光からスペクトル線として読み取られる化学的「フィンガープリント」として、ループ内のイオンの動きと温度を分析できます。

「すべての物理は輝線に刻まれています」と物理学・天文学准教授のBradshaw氏。「これらの微小構造がどう加熱されるかを学び、コロナ自体がどう加熱されるかについて何かを言えることを期待しました。これは太陽大気全体で働く普遍的なメカニズムかもしれません。」

画像は、熱的およびドップラー効果でスペクトル線が広がったホットスポットスペクトルを明らかにしました。これはナノフレアに関与する元素だけでなく、それらの温度と速度も示しています。ホットスポットでは、ケイ素イオンを含む再接続ジェットが、観測者（IRIS）に向かって（青方偏移）および遠ざかって（赤方偏移）最大秒速100キロメートルで移動していることがわかりました。軽い酸素イオンではドップラーシフトは検出されませんでした。

研究者たちはメカニズムの2要素を研究しました：磁場からエネルギーがどう出ていくか、そしてそれが実際にプラズマをどう加熱するか。遷移領域はわずか約10,000華氏度ですが、太陽表面の対流がループに影響し、それらを構成する薄い磁気ストランドをねじり、編み込み、磁場にエネルギーを加え、最終的にプラズマを加熱します、とBradshaw氏。「IRIS観測ではそのプロセスが進行していることが示され、少なくとも第1部の答えの1つは磁気再接続によるもので、ジェットはその主要な特徴です」と同氏。

そのプロセスでは、プラズマストランドの磁場が編み込みサイトで切断・再接続し、より低エネルギー状態になり、蓄積された磁気エネルギーを放出します。これが起こる場所ではプラズマが超高温になります。しかし、放出された磁気エネルギーでプラズマがどう加熱されるかは今まで謎でした。「再接続が起きているこれらの小さなループ構造の領域を見て、主にケイ素と酸素のイオンからの輝線を測定しました」と同氏。「ケイ素イオンのスペクトル線が酸素よりはるかに広いことがわかりました。」

これはケイ素イオンの優先的加熱を示しています。「説明が必要でした」とBradshaw氏。「調べて考えると、イオンサイクロトロン加熱と呼ばれる運動論的プロセスが、軽いイオンより重いイオンの加熱を好むことが判明しました。」イオンサイクロトロン波は再接続サイトで生成されます。重いイオンによって運ばれる波は、波を「破壊」し乱流を生成する不安定性の影響を受けやすく、これがイオンを散乱・励起します。これにより、局所プラズマ温度だけから予想される以上にスペクトル線が広がります。軽いイオンの場合、それらを加熱するのに十分なエネルギーが残っていない可能性があります。「そうでなければ、軽いイオンではより速い臨界速度を超えて不安定性を引き起こせません」と同氏。

「太陽風では、重いイオンが軽いイオンより著しく高温です」とBradshaw氏。「それは確定的に測定されています。我々の研究は、これが遷移領域の特性でもあり、我々が特定したメカニズムにより太陽大気全体で持続し、特に太陽風がコロナの星間空間への膨張であることを考えると、太陽コロナの加熱、特に数百万度のコロナを維持するのに寄与していることを初めて示しました。」

次の疑問は、こうした現象が太陽全体で同じ割合で起きているかどうかです。「おそらくノーです」とBahauddin氏。「では、コロナ加熱問題にどれだけ寄与するか？ 上層大気へ十分なエネルギーを供給し、数百万度のコロナを維持できるか？」