｢ひので｣太陽黒点半暗部形成の前駆構造を初めてとらえた

2012年3月 8日

宇宙航空研究開発機構
京都大学
自然科学研究機構　国立天文台
米国航空宇宙局(NASA)
英国科学技術会議(STFC)
欧州宇宙機関(ESA)

概要：

　太陽観測衛星｢ひので｣は、太陽黒点が誕生から大きな黒点に成長する様子を連続的に観測することに成功しました。これまで、半暗部の無い小黒点(英語でポアと呼びます)から半暗部をもつ黒点に成長する過程はよくわかっていませんでした。｢ひので｣による観測の結果、小黒点の誕生直後に、小黒点をとりまく半暗部に相当する構造(前駆構造)が、小黒点のある光球ではなくその上空の彩層で既に形成されていることを発見しました。太陽光球内部から浮き上がってくる磁力線が形作ると考えられている黒点の成長において、磁力線が上空の彩層から下がってくることによって黒点の構造の一部が形作られるとは専門家も予想していませんでした。この発見は、太陽黒点が小黒点から半暗部をもつ黒点に成長する際に、半暗部という特徴的な構造が形成される仕組みを理解するための大きな手がかりと考えられます。この発見は、アメリカの専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レター』の3月10日号に発表されます。

解説：

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太陽黒点とは

図1：太陽面上の黒いシミ｢黒点｣。国立天文台の10cm黒点望遠鏡が撮影した可視連続光。(2012月1月18日撮影) (c) 国立天文台

　太陽黒点とは、可視光で見た太陽面(光球面)にみられる黒いシミ(図1)です。太陽内部で生まれた強い太陽磁場が集まって表面に浮き上がった結果、太陽面のその部分の対流がおさえられて周囲に比べて温度が低くなり、暗く見えていると考えられています。

この太陽表面を、太陽観測衛星｢ひので｣に搭載された可視光・磁場望遠鏡は、非常に高い解像度(0.2-0.3秒角（※1） 、太陽面の約150-200kmの構造を識別する能力)で可視光域の様々な光で撮影しています(図2)。

高い解像度でみると、黒点には様々な微細な筋状構造や激しいガスの流れなどが認められます。黒点のなかで特に暗い部分は｢暗部｣、暗部を取り巻く中間の明るさの部分を｢半暗部｣と呼びます。磁場の浮上によって太陽面下から磁場が正極(N極)と負極(S極)のペアの形で幾つも多量に浮き上がってきた時、同じ磁極どうしが集積していくと、小黒点(ポア)が形成されます。小黒点は半暗部を伴わない暗部のみの黒点です。さらに小黒点が成長を続けると、半暗部が短時間で現れ、一人前の構造をもった黒点になります。　　　　　　　　　

図2：｢ひので｣可視光・磁場望遠鏡で撮影された最近の太陽黒点。点在している小さな黒い点が小黒点(ポア)と呼ばれる構造。図1の左側に左右に伸びる黒点群だけでなく、小黒点までもが詳細にとらえられている。(2012月1月18日撮影) (c)JAXA/国立天文台

（※1）: 1秒角は1度の3600分の1に相当する角度。

半暗部形成のなぞ

　黒点が生まれる磁場の浮上活動が太陽面のどこでいつ起きるかは、現在の知識では予想できません。また、大気ゆらぎ(シーイング)に大きく影響される地上からは、高解像度観測で現象をとらえることは極めて難しく、また高い解像度で数時間以上にわたって構造の変化を連続的に観測することは不可能です。そのため、なぜ黒点は半暗部を持つのか？半暗部がどのような物理過程で形成されるか？といった黒点形成にかかわる疑問は殆ど分かっていません。すなわち、最も良く知られた太陽面上の基本的な磁場構造である｢黒点｣の成り立ちは、未知な点が多く残されています。

半暗部形成の前駆構造の発見

　｢ひので｣可視光・磁場望遠鏡が約4日(2009年12月29日から2010年1月2日)にわたって連続的に見続けた活動領域内で、磁場の浮上が大きな規模で発生し、小黒点から黒点に成長する様子を画像として詳細にとらえることに成功しました。この観測の解析によって、黒点｢暗部｣を円環状にとりまくように｢半暗部｣の前駆構造が、小黒点の誕生直後からすでに、太陽表面(光球)から1000km程上空の｢彩層｣に形成されていることが判明しました。この前駆構造は、光球の上空にある彩層を見ることができる波長（Ca II H線(※2) )の画像でのみとらえられました(図3)。

図3： Gバンドで見た光球(左)とCa IIのH線で見た彩層(中央)。右図の白線は小黒点の外周位置。黒線は発見された円環状構造の外周位置を示す。(c)JAXA/国立天文台

図4： 彩層(左)と光球(右)での小黒点から黒点への成長の様子。(c)JAXA/国立天文台

　この前駆構造は、光球で半暗部が現れる時よりも相当前(約6時間以上前)から見ることができます(図4)。半暗部が現れるときは、この円環状の前駆構造が見られる領域を満たすように現れます。円環状の領域では、光球面での磁場は弱く、目立ったガス流も見られない特徴があります。また、円環状の領域の外周縁に存在する磁場は決して円環状領域内に入り込んでくることがないことも分かりました。これらのことから、小黒点の磁場が上空の大気に行くと広がっており、彩層の高さにおいて天蓋のような構造が暗部周辺に円環状に造られていると考えられます(図5)。小黒点が生まれて間もなく彩層域で形成された天蓋構造は、光球層に下がってきて、光球での｢半暗部｣として現れることを示唆しています(図6)。半暗部が現れる前に、その上空にある彩層に前駆構造が観測されるとは、専門家のだれも考えていませんでした。

今後の研究への期待

図5：彩層の高さにおいて暗部周辺に形成される天蓋のような構造の模式図。(c)JAXA/国立天文台

今回の発見は、半暗部を伴う黒点の磁場構造を造る仕組みの理解に向けて、上空の彩層における磁場構造や物理診断が重要であることを示しています。黒点は太陽面にはり付いた構造と考えられます。そして密度の高い光球でまず構造が作られ、その結果として上空の彩層構造がつくられる、というのが自然な考え方です。今回の発見は、これを覆し、黒点の形成過程は彩層として上空の彩層構造が

図6：今回の研究で明らかになった黒点半暗部の形成のシナリオ。(c)JAXA

つくられる、というのが自然な考え方です。今回の発見は、これを覆し、黒点の形成過程は彩層も含む立体的な磁場構造の成長過程として捉えなければならないことを明らかにしました。この数年、数値シミュレーションによって計算機内で黒点の形成や構造を再現する研究が急速に進んでいます。しかし、半暗部の形成は、数値シミュレーションでもまだ再現できていません。今回の発見は、上空の彩層における磁場の形状を初めて示唆し、上空の境界条件に制限を与えます。また半暗部の前駆構造の発見は、フレア爆発などを引き起こす活動領域の発達を予測するのに役立つかもしれません。今後、彩層を診断する観測が加速し、黒点の形成の理解に向けた研究が加速することに期待が持てます。 なお、本研究は科学研究費補助金の基盤研究(C)(23540278)による助成を受けています。

（※2）: 太陽大気に含まれるCa+イオン(Ca II)によるスペクトル線の一つ。H線とは太陽の吸収スペクトル線観測で発見したフラウンホーファーが命名したもの。波長は397ナノメートル(青色域)。

発表論文

論文名：
Precursor of Sunspot Penumbral Formation discovered with Hinode SOT Observations
論文著者：
清水敏文　(宇宙航空研究開発機構(JAXA)宇宙科学研究所 准教授)
一本　潔　(京都大学 飛騨天文台 教授)
末松芳法　(自然科学研究機構 国立天文台 ひのでプロジェクト 准教授)
論文掲載：
The Astrophysical Journal Letters, No.747, L18, 2012.

リンク

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 ひので (SOLAR-B)
http://www.isas.jaxa.jp/j/enterp/missions/hinode/index.shtml