太陽のように身近な天体にも、いくつかの秘密があります。太陽の目に見える表面の上では、荷電粒子で構成された高温のガスが宇宙空間に伸びて、皆既日食の際にライオンのたてがみのように見える縞模様のコロナを含む、太陽の過熱された外層を形成します。いくつかのプロセスは、コロナ内のこれらのプラズマを数百万度まで加熱し、太陽風として太陽から遠ざけます。
これらのプラズマがどのようにして太陽の磁場から逃れるのかは、まだ謎のままです。太陽の大気を研究しているNASAのゴダード宇宙飛行センターの天体物理学者であるテレーズ・クセラは、磁場が太陽の活動の多くを支配しているため、「太陽に関する未解決の問題の多くは、最終的に磁場に帰着します」と述べています.
太陽の磁場は、太陽の表面から宇宙に伸びる巨大なループを形成します。これらのループには、太陽のコロナに完全に収まるほど小さいものもあれば、太陽系の端まで伸びているものもあります。
一般に、荷電粒子は磁場を横切るのではなく磁場に沿って移動するため、これらのループはプラズマを閉じ込めます。一部のプラズマは、太陽系の奥深くまで伸びるループをたどって太陽から脱出します。これらのプラズマは、いわゆる「高速」太陽風になります。科学者たちは、プラズマの塊が小さなループから抜け出して、「遅い」太陽風を発生させることもできると考えています。ループは壊れて再接続と呼ばれるプロセスで再接続し、閉じ込められたプラズマの一部を脱落させます。しかし、磁気リコネクションがどこでどのように起こるかについての詳細は、私たちにはわかりません.
「私たちはただ手を振って『ああ、それは何らかの形で再接続に関係しているに違いない』と言う以上のことをしたいのです」とクセラは言いました。
そこで研究者チームは、実験室でプラズマの球体に太陽の磁場構造を再現しようと決心しました。
ラボでどのように太陽を作りますか?
太陽の磁場の最も単純なモデルは、北極と南極を持つ棒磁石または双極子です。その磁場は一方の極から他方の極まで広がっています。
もちろん、太陽は棒磁石より複雑です。太陽は自転し、磁場をねじり、パーカー スパイラルとして知られる渦巻きパターンにします。そして、太陽から発せられるプラズマの流れは、輪ゴムのように磁場の一部を引き寄せ、ループを太陽系の端まで引き伸ばします。
ウィスコンシン大学マディソン校の研究チームは、これらの各要因を実験室モデルに組み込みました。幅3メートルのプラズマ封じ込めチャンバー（「ビッグレッドボール」）の内部に、チームは幅約10センチ、長さ約10センチの円筒形の永久磁石を配置しました。これがスターターサンでした。次に、ヘリウムガスから作られたプラズマでボールを満たし、そこに電流を流し、プラズマに力を発生させて双極子の周りを回転させました。
ウィスコンシン大学のプラズマ物理学者であるイーサン・ピーターソンは、「それは、太陽に似た双極子磁場で回転するプラズマを作り出します。この技術により、チームは今日 Nature Physics に掲載された論文で説明されているように、パーカー スパイラルの形状を再現することに成功しました。 .
この実験は、プラズマが不安定なバランスでぶら下がっている太陽の周りの領域を模倣することもできました。この境界内では、プラズマは磁場によって封じ込められますが、その外側では、太陽の自転による遠心力が磁場を打ち負かし、プラズマが外に向かって流れ出します。研究者は、「[プラズマ] を十分に強く回転させると、遠心力から回転させることができる」ことを発見したと Peterson 氏は述べています。チームは、彼らが生成したプラズマの塊は、太陽のゆっくりとした太陽風に燃料を供給する宇宙のものと類似していると信じています.
プラズマの密度や荷電粒子と中性粒子の割合など、モデルのいくつかの側面は、実際の太陽のコロナと太陽風の組成を反映していません。ジョンズ・ホプキンズ大学応用物理学研究所の太陽物理学者で、太陽風のシミュレーションに取り組んでおり、この研究には関与していない Aleida Higginson 氏は、「しかし、この実験は依然として有益である」と述べています。 「私たちは地球と太陽の実験室条件について話しているので、明らかにいくつかの違いがあるでしょう.私はまだ感銘を受けています」と彼女は言いました。 「彼らが本当に再接続してブロブを取得した場合、それは本当にクールで有望だと思います。」
本当の太陽を研究するのはなぜそんなに難しいのですか?
「宇宙は本当に大きいです」とクセラは言いました。宇宙探査機は、一度に 1 つの場所にしか存在できません。研究者が太陽風の構造をよりよく理解できるように太陽風の画像を撮影する場合でも、磁場の強さと通過する粒子を測定する場合でも、宇宙探査機は太陽の環境のごく一部しか調査できません。 「どこでも試飲できるようになりたいです。しかし、明らかに、それはできません。」
一方、このようなラボ実験では、研究者は全体像を把握できます。結局、彼らは太陽系全体を幅 3 メートルの球体に収めました。
実験室モデルはまた、研究者が現実世界ではできない方法で実験することを可能にします。
「ラボの実験なので、パラメーターの一部を変更できますよね?」カリフォルニア大学バークレー校の天体物理学者で、昨年打ち上げられた探査機パーカー・ソーラー・プローブの実験のリーダーであるスチュアート・ベールは、次のように述べています。 「そして、私たちはできません。太陽はやろうとしていることをします。」
パーカー ソーラー プローブは、今後数年間で太陽の周りを周回するため、コロナを通過し、研究者が実験結果と比較できるデータを収集します。
「彼らが見ているもの」とベールは言いました、「もしそれが本当なら、私たちはそれを見るべきです.
