太陽の磁気バブルの端を探る:太陽圏

太陽の磁気バブルの端を探る:太陽圏 天文・宇宙
この図は、NASAのボイジャー1号および2号探査機が、冥王星の軌道をはるかに超えて広がる太陽の保護バブルであるヘリオスフィアの外側に位置していることを示している。©NASA/JPL-Caltech

私たちの住む太陽系は、1,000億個以上の星が存在する天の川銀河の中に位置しています。

太陽系は「太陽圏」と呼ばれる磁気の泡に包まれており、広大な銀河系やその厳しい宇宙放射線から私たちを隔てています。

私たちは太陽圏によって放射線から守られていますが、太陽圏はもうひとつの放射線源である太陽によって作られています。

太陽は、その表面から太陽風と呼ばれる荷電粒子を常に放出しています。

太陽風は海王星の約4倍の距離まで飛ばされ、太陽の磁場も一緒に運ばれます。

メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターのEric Christian主任太陽圏研究員は、「磁場は互いに押し合う傾向がありますが、混ざり合うことはありません。太陽圏の泡の中には、ほとんどの場合、太陽からの粒子と磁場があります。外側には銀河系からのものがあります。」と言います。

Zoom From The Milky Way Galaxy To Our Heliosphere [720p]

太陽圏を理解するためには、まず言葉を分解することから始めましょう、とニュージャージー州プリンストン大学天体物理学教授のDavid McComas氏は提案します。

「ヘリオスフィア(太陽圏)」とは2つの言葉の組み合わせです。

ギリシャ語で太陽を意味する “Helios “と、影響を及ぼす広い領域を意味する “sphere “の2つの単語を組み合わせたものである。

太陽圏は1950年代後半に発見されたましたが、未だに多くの疑問が残っています。

太陽圏を研究することで、宇宙飛行士や宇宙船の放射線被曝を軽減する方法や、星が近くの惑星に与える影響などが明らかになっています。

宇宙の気球

私たちの身の回りには、毎日何らかの放射線が降り注いでいます。

日光浴をするとき、私たちは太陽からの放射線を浴びています。

台所の電子レンジで残り物を温めたり、医療用画像処理に放射線を利用したりしています。

一方、宇宙の放射線は、ウランなどの放射性元素から放出される放射線に近いものです。

他の星から私たちに向かってくる宇宙放射線は、銀河宇宙線(GCR)と呼ばれています。

超新星、ブラックホール、中性子星などの銀河系内の活動領域は、原子から電子を奪い、原子核を光速近くまで加速して銀河宇宙線を発生させます。

地球上では、宇宙放射線から身を守るために3つの層があります。

1つ目は太陽圏で、太陽系の主要な惑星に到達する銀河宇宙線を遮断しています。

また、地球の磁場は磁気圏と呼ばれるシールドを形成し、地球や国際宇宙ステーションのような低軌道衛星から銀河宇宙線を遠ざけます。

最後に、地球の大気中のガスが放射線を吸収します。

宇宙飛行士が月や火星に行くときには、私たちが地球で受けているような保護はありません。

太陽圏は、太陽の11年周期で大きさが変化していますが、この太陽圏だけが宇宙飛行士を守ってくれます。

太陽のサイクルには、活動が活発で強力な太陽風が吹いている時期と、静かな時期があります。

風船と同じように、風が弱まると太陽圏は収縮します。

逆に風が強くなると、太陽圏は膨張します。

「太陽圏が宇宙線を抑制することで、有人宇宙探査の期間を長くすることができます。宇宙線と太陽圏およびその境界との相互作用をよりよく理解することが我々の課題です。」とワシントンD.C.にあるNASA本部の太陽物理学者であるArik Posner氏は述べています。

太陽圏の大きさは太陽活動周期によって変化する。

太陽圏の大きさは太陽活動周期によって変化する。©NASA’s Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

太陽圏の解剖図

太陽圏の正確な形状については議論があります。

しかし、科学者の間では、いくつかの層があるということで一致しています。

内側から外側に向かって層を見ていきましょう。

末端衝撃波面

太陽系の主要な惑星はすべて、太陽圏の最内層に位置しています。

ここでは、太陽風が銀河からの圧力の影響を受けずに、時速約100万マイルの全速力で数十億マイルにわたって太陽から噴出しています。

このコア層の外側の境界は、末端衝撃波面と呼ばれます。

ヘリオシース

末端衝撃波面の先にあるのがヘリオシースです。

ここでは、太陽風の動きが遅くなり、外部の星間物質の圧力に直面して偏向します。

ヘリオポーズ

ヘリオポーズは、太陽と他の銀河系との間の最後のプラズマ境界です。

ここでは、太陽風と星間風の磁場がお互いに押し合い、内外の圧力が均衡しています。

外部ヘリオシース

太陽圏の存在の影響をまだ受けているヘリオポーズのすぐ先の領域は、外部ヘリオシースと呼ばれます。

太陽圏外縁部の研究方法

NASAの多くのミッションは、太陽と太陽圏の最深部を研究しています。

しかし、人間が作ったもので、太陽系の境界を越えて星間空間に入ったものは2つしかありません。

1977年、NASAはボイジャー1号とボイジャー2号を打ち上げました。

それぞれの探査機には、直接通過する磁場や粒子を測定するツールが搭載されています。

壮大なツアーで外惑星を振り切って通過した後、それぞれ2012年と2018年にヘリオポーズを抜け、現在は外部ヘリオシースにいます。

彼らは、宇宙線がヘリオポーズの外側では、太陽圏の奥深くに比べて約3倍も強いことを発見しました。

しかし、ボイジャーが描く絵は不完全なものです。

「ボイジャー1号と2号という2つの地点から太陽圏全体を把握しようとすることは、2つの測候所から太平洋全体の天気を判断しようとするようなものです。」とChristian氏は語ります。

ボイジャーは、太陽圏観測衛星IBEXと協力して太陽圏を研究しています。

IBEXは、2008年にNASAが打ち上げた重さ176ポンド(約79.8kg)のスーツケースサイズの衛星です。

それ以来、IBEXは太陽圏の外側の境界を観測する望遠鏡を搭載して地球の周りを回っています。

IBEXは、軌道を横切るエネルギー中性原子(ENA)と呼ばれる種類の粒子を捕捉して分析します。

ENAは、星間物質と太陽風が出会う場所で形成されます。

ENAの一部は太陽系の中心、そしてIBEXに向かって流れてきます。

IBEXの主任研究員であるMcComas氏は、「ENAを1つ集めるたびに、それがどの方向から来たのかがわかります。個々の原子を大量に集めることで、太陽圏の内側の画像を作ることができるのです。」と語ります。

2025年、NASAはInterstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP)を打ち上げます。

IMAPのENAカメラはIBEXよりも高解像度・高感度です。

謎が多い

NASAの太陽圏観測衛星IBEXは、地球の軌道上から太陽圏を観測している。

NASAの太陽圏観測衛星IBEXは、地球の軌道上から太陽圏を観測している。IBEXが初めて作成したスカイマップには、「IBEXリボン」と呼ばれる驚くべき特徴が見られました。©NASA/IBEX

2009年、IBEXがあまりにも衝撃的な結果を出したため、研究者たちは当初、装置の故障ではないかと考えました。

この発見は、「IBEXリボン」と呼ばれています。

エネルギー中性原子の発光が他の空に比べて2〜3倍明るくなっている空の帯です。

「リボンはまったくの予想外で、ミッションを実行する前の理論では予想されていませんでした。」とMcComas氏は言います。

何が原因なのかはまだ完全には解明されていませんが、これはまだ発見されていない太陽圏の謎を示す明確な例です。

Published by NASA.