太陽のクローズアップ写真は宇宙天気予報に役立つかもしれない

2017 年 11 月 6 日、2 つの嵐が同時にカリブ海を襲った。暖かい海のエネルギーを吸収したハリケーン イルマは、セント マーチン島、バーブーダ島、その他の島々の住民に時速 185 マイルの強風を吹き付けた。一方、1 億マイル離れた場所では、2 度目の過剰なエネルギーが太陽の歪んだ磁場の一部を破壊し、太陽フレアを引き起こして X 線と紫外線を地球に吹き付けた。地上の嵐が最高潮に達したとき、太陽嵐は地元の緊急放送を約 8 時間にわたって遮断した。

しかし、気象学者たちはイルマの進路を以前から知っていたが、この10年間で最も強力だったこの強烈な太陽フレアは、ほとんどが予想外のものだった。研究者たちは、地球の大気が表面とどのように相互作用して雨、風、雪を生み出すのかをかなりよく理解しているが、私たちの地元の恒星が「宇宙天気」をどのように生み出すのかを正確に解明するのは依然として大きな課題だ。「地球には、気象観測所の巨大なネットワークがあります」と、コロラド大学ボルダー校の太陽研究者ダン・シートン氏は言う。「しかし、太陽では、写真がいくつかあり、いくつかの推定値があり、あとは推測に頼るしかありません。」

水曜日に太陽の波打つ表面の初めての画像と動画を公開した、まだ建設中のダニエル・K・イノウエ太陽望遠鏡（DKIST）は、そのギャップを埋めるための大きな取り組みの1つである。その13フィートの鏡は、他の太陽望遠鏡の3倍の広さがあり、すでに他の機器では見つけられない特徴を捉えることができる。近い将来、ハワイのハレアカラ火山に建設される3億4400万ドルの施設は、宇宙の天気を動かす目に見えないが強力な力、つまり磁気の曲がりくねった動きも測定することになる。

DKIST は研究者が「磁場の挙動を理解する」のに役立つだろうと、DKIST を管理する国立太陽観測所の天文学者ジャンナ・カウッツィは言う。「特定の構成がいつ、なぜ発生するかを理解するには、それが鍵です。何かが起こるかもしれないというヒントを与えてくれるでしょう」と彼女は言う。無線チャンネルがダウンする可能性が高いことが分かれば、オペレーターは他の通信手段を手配したり、少なくともダウンすると予想される他のチャンネルに警告したりできる。

太陽は遠くから見ると、変化のない黄色い球体のように見えるかもしれないが、拡大してみると、渦巻く流れと上昇する塊の渦巻く塊が浮かび上がっているのがわかる。輝く宝石というよりは、沸騰する水風船に近い。物理学者は、星の核融合炉が泡を加熱して上昇させ、表面にこぼれ落ちる仕組みや、かすかな大気が外に流れ出る仕組みを、多かれ少なかれ理解している。しかし、最初の仕組みがどのようにして2番目の仕組みにつながるのだろうか？太陽物理学の次の段階は、太陽風と地球の磁場を説明する他のモデルとともに、これら2つの、ほとんど相容れない図を縫い合わせて、システム全体を網羅する1つの大きなキルト理論にすることだとシートン氏は言う。

ここで DKIST の出番です。DKIST は、これまでコンピューター シミュレーションでしか示唆されていなかった太陽の詳細な画像を撮影するのに必要な鋭い視力を持っています。研究者がまだ科学的な用途に加工していない最初の映像で、この望遠鏡は表面でテキサス州ほどの大きさの泡が割れる様子を捉えました。これらの泡立つ細胞がどのような外観になるかは誰にもわかりませんでしたが、肉眼では理論家たちの予測はほぼ正しかったようです。「モデルが予測するものと非常によく似ていることに驚きました」とボルダー大学の太陽科学者コートニー ペックは言います。「大きな前進だと思います」

この装置は、巨大な鏡に加えて、独自の設計によってさらに強力になっている。すべての望遠鏡は、集めた光を一点に集めて画像を解像するが、DKIST の場合、その点は鏡自体の外側にある。この構成により、補助光学機器 (強力な冷却装置など) はすべて鏡から遠ざけられる。そうしないと、鏡が入射光を遮ったり散乱したりする可能性がある。「革命的な成果となることを期待しています」と Cauzzi 氏は言う。

この戦略は功を奏したようだ。建設工事は夏まで正式には終わらないが、水曜日に撮影された画像はすでにこの波長の赤色光で可能な最高の解像度に達しており、幅18マイルの地形を捉えている。「これは大きな成果です。望遠鏡と下流の光学系すべてが期待通りに機能していることを意味します」とカウッツィ氏は言う。

その鋭い焦点は、星の謎を解く鍵となる。太陽フレアのような巨大現象の挙動をコンピューターシミュレーションで再現しようとするモデル製作者たちは、DKIST が提供してくれると約束する正確なデータを渇望している。こうした予測は、表面の小さくて目に見えない特徴を変えると劇的に変化するが、現在は推測するしかない。今後登場する欧州の宇宙船からの斬新な視点と合わせて、シートンは将来の太陽モデルが「仮定が大幅に減り、現実味が増す」という恩恵を受けると期待している。

そして、水曜日の画像はほんの始まりに過ぎない。来年、この望遠鏡が本格的に稼働する頃には、可視光線と近赤外線の両方のスペクトル部分で色を収集できる計5つの機器が望遠鏡に搭載されることになる。

重要なのは、これらの機器は太陽のさまざまな層に走る目に見えない磁力線も解像できるということだ。磁力線は太陽の磁気的影響によって、光の方向やフィルターを認識できる形で制御するからだ。太陽物理学者たちは、DKIST をコロナに向けることに特に興味を持っている。コロナは恒星の表面より 1 万倍も暗い (しかし逆説的に、はるかに高温である) 大気層だ。噴火は地球に向かう途中でコロナを突き抜ける (数日後に停電を引き起こす可能性がある) ため、そこにある磁場は宇宙天気の謎を解くうえで極めて重要だが、いまだに誤解されている部分だ。「これはわれわれがまだ把握していないものです」とカウッツィは言う。

あらゆる種類の天候は本質的に混沌としており、冬の嵐の予報がまだ降雪量を正確に予測するのに苦労しているのと同様に、宇宙予報士は、3年前にカリブ海を襲ったような通信を妨害する太陽フレアの正確な時間と強度を予測することは決してできないかもしれない。それでも、シートン氏は、太陽理論の統一が進めば、研究者は磁場が爆発する準備が整った時期をより正確に認識できるようになり、DKIST の独自の能力は太陽物理学のさまざまな進歩に貢献すると示唆している。

「太陽を新しい方法で観察するたびに、私たちは見たものにすぐに驚かされます」と彼は言う。「そして、誰も見ることを期待していなかったものこそが、太陽のシステムが実際にどのように機能するかについての深い理解への飛躍的進歩につながるのです。」