太陽表面からコロナ直下に迫る―太陽観測ロケット実験CLASP2が測定した太陽大気の磁場

2021年2月20日

自然科学研究機構　国立天文台
カナリア天体物理学研究所
NASA マーシャル宇宙飛行センター
フランス宇宙天体物理学研究所

発表概要

　国際研究チームは、太陽観測ロケット実験CLASP2とひので衛星による観測を組み合わせ、太陽表面からコロナ直下に至る磁場構造を世界で初めて明らかにしました。CLASP2は、日米仏が共同開発した観測装置で、NASAの観測ロケットにより2019年4月に打ち上げられました。そして、約6分半の間、太陽表面上空に広がる彩層からの紫外線の偏光観測に成功しました。これにより、太陽表面に点在して見られる磁束管が、彩層で急激に膨張し互いにひしめき合っていくという、今まで想像のみであった太陽磁場の彩層での姿が明らかになりました (図１)。本研究成果は、太陽物理への新しい知見をもたらすとともに、太陽観測研究に彩層磁場の測定という新しい窓を切り拓きました。

図1. 太陽観測ロケット実験CLASP2とひので衛星の共同観測から明らかになった、太陽表面から彩層最上部に至る磁束管の様子。４つの高さ (太陽表面、彩層底・中・最上部) で磁場を観測した。(c) 国立天文台

本文

　太陽大気は表面 (6千度) よりも、その上層にある彩層 (1万度)、さらにその上層に広がるコロナ (100万度) の方が温度がはるかに高く、いかなる仕組みでこのように高温な大気層が作られているのかよくわかっていません。また、彩層はコロナに比べて密度が高く、コロナを加熱・維持するよりも多くのエネルギーが必要であることが知られています。これを｢彩層・コロナ加熱問題｣と呼び、観測と理論の両面からさまざまな研究が活発に行われ、太陽表面とコロナの間に位置する｢彩層｣が重要な役割を果たしていると考えられています。しかし、加熱に必要な大気の運動やエネルギー輸送の担い手である｢磁場｣の彩層での様子はこれまでほとんど明らかになっておらず、その理解を阻む大きな障壁となっていました。

図2. 本研究で用いた観測データ。CLASP2は緑実線で示されたスリットの位置での偏光スペクトル (右側の上下のパネル) を得た。スリットを当てていた位置とその周辺の太陽彩層の様子は、CLASP2に同じく搭載された撮像カメラ(SJ)で示されている (左上のパネル)。太陽表面磁場の詳細は、ひので衛星に搭載された可視光磁場望遠鏡から得られた (左下のパネル)。白黒がN極, S極で磁場の強いところを表している。背景は、SDO衛星で観測された太陽彩層の全面像。(c) 国立天文台, IAC, NASA/MSFC, IAS

　このようにCLASP2とひのでの観測を組み合わせて得られたのが、太陽表面から彩層底部、彩層中部、そしてコロナ直下の彩層最上部に至る活動領域の磁場の様子です (図3)。図3の緑線で示された、大きく変動した空間分布は、太陽表面ではキュッとすぼまったチューブ状の｢磁束管｣が、互いに少しずつ離れて分布していることを示しています。一方の彩層では (図3の青、黒、赤の丸)、その振る舞いは大きく異なり、[1] 太陽表面に比べて急激に磁場強度が弱まること、[2] 彩層の中でも上空に行くに従って徐々に磁場が弱くなっていること、[3] 太陽表面で磁場が弱い場所でも彩層では比較的強い磁場が存在すること (例えば図3の黒矢印で示した場所)、がわかりました。これらのことから、磁束管が彩層で急激に膨張し互いにひしめき合うという、これまで太陽研究者が想像するも、その証拠が得られなかった彩層磁場の様子が初めて観測から明らかになったのです (図1)。

図 3. 太陽表面からコロナ直下に至る磁場分布。CLASP2 のスリット (図2の緑線) に沿った各高さでの磁場強度を示す。(c) 国立天文台, IAC, NASA/MSFC, IAS.

　CLASP2観測装置は観測終了後、パラシュートで砂漠に無傷で帰還し、現在NASAマーシャル宇宙飛行センターに保管されています。CLASP2チームは、この観測装置をもう一度飛翔させるCLASP2.1計画を進めています。CLASP2の観測はスリットを固定して行い、スリットに沿った磁場情報を得ました。一方、CLASP2.1計画ではスリットを少しずつ横に動かすことで、(空間2次元＋高さ＝) 3次元の磁場マップの取得を目的としています。またCLASP2以外にも、SUNRISE-3気球実験やハワイで科学観測が始まりつつある巨大太陽望遠鏡DKIST (Daniel K. Inouye Solar Telescope) など、世界中の様々な観測装置での彩層磁場観測への挑戦は続きます。最後に忘れてならないのが、彩層〜コロナの温度、ダイナミクスの詳細な観測により加熱の現場を捉えるということです。これに取り組むのが、日本が中心となって欧米と開発を進めている次期太陽観測衛星Solar-C (EUVST)です。EUVSTは、偏光計測は行いませんが、さらに波長が短い紫外線 (波長17 nmから120 nm) に存在する彩層〜コロナを起源とする様々なスペクトル線を高分解能に観測します。太陽物理学者は、ありとあらゆる手段と機会を結集させて、太陽物理学最大の謎｢彩層・コロナ加熱問題｣に取り組んでいきます。

用語説明

（1）磁場の測定と彩層磁場
　スペクトル線に生じる偏光 (光の偏り) を観測することで、磁場の測定を行う。これまで、太陽表面の磁場は、ひので衛星や地上望遠鏡などによって精力的に観測が行われ、その性質がとても詳しく調べられてきた。しかし、彩層の磁場は太陽表面の磁場に比べて弱く、また、偏光が発生する過程もより複雑であるために、生じる偏光の検出は容易ではない。近年、彩層磁場観測に最適なスペクトル線や観測技術の開拓がはじまった。

（2）CLASP (Chromospheric Lyman-Alpha Spectro-Polarimeter)
　CLASP2の前身。2015年9月に打ち上げを行った太陽観測ロケット実験で、彩層中の水素が出すライマンアルファ線 (波長122 nm) の偏光分光観測を行った。理論的に予測されていた散乱偏光及び磁場による散乱偏光の変化 (ハンレ効果) の観測に世界で初めて成功し、大きな成果を挙げた。また、3次元太陽大気モデルを用いた模擬観測との比較により、彩層上部が、これまで考えられていたよりも複雑な大気構造を持つことも明らかとなった。一方で、ベクトル磁場情報を得るのに重要なゼーマン効果による円偏光は、ライマンアルファ線には生じないため、直線偏光のみの観測であった。

記事：https://hinode.nao.ac.jp/news/results/post-42/

CLASP2打ち上げ成功の記事 ：https://hinode.nao.ac.jp/news/topics/clasp2-launch-20190422/

CLASP2受賞の記事：http://hinode.nao.ac.jp/news/notice/clasp2-nasaaward2020/index.html

動画

CLASP2観測装置の打ち上げ、太陽観測、着地の様子を以下の動画で紹介しています。

動画. CLASP2の打ち上げ、観測、着地の様子。

[論文情報]

[研究助成]

[関連リンク]

太陽表面からコロナ直下に迫る―観測ロケット実験CLASP2が測定した太陽大気の磁場 (国立天文台)
CLASP2チームがアメリカ航空宇宙局より表彰されました (国立天文台)
日米欧国際共同ロケット実験CLASP2チームがNASA/MSFC Group Achievement Honor Award を受賞 (太陽観測科学プロジェクト ひので)

観測ロケット実験CLASP2による太陽大気磁場測定：太陽表面からコロナ直下に迫る (宇宙航空研究開発機構 |トピックス 2021年2月22日)
観測ロケット実験CLASP2による太陽大気磁場測定 ─太陽表面からコロナ直下に迫る─ (宇宙科学研究所 |トピックス 2021年2月22日)

NASA Missions Make Unprecedented Map of Sun's Magnetic Field (NASA)
The CLASP2 space experiment achieves an unprecedented map of the Sun's magnetic field from the photosphere up to the base of the corona (IAC)