2018 年の夏、NASA はこれまでで最も野心的な宇宙ミッションの 1 つであるパーカー ソーラー プローブを打ち上げました。猛烈な時速 720,000 km (450,000 マイル) で移動する宇宙船は、歴史上、これまでのどの宇宙船よりも太陽に近づくことを繰り返します。それはすでに他のどの人工物よりも太陽に近く移動しており、パーカー・ソーラー・プローブ・チームが太陽に接触していると言及するほど近くに冒険するでしょう.実際、それはコロナとして知られる太陽の大気に出入りします。それだけではありません。
2020 年 2 月、欧州宇宙機関 (ESA) は、ソーラー オービターと呼ばれる独自の太陽ミッションを開始します。この探査機は、NASA のものほど太陽に近づくことはありませんが、地球の軌道上の宇宙船が経験するほぼ 500 倍の強烈な太陽光を浴びることになります。パーカー ソーラー プローブは、猛暑の中で潜ったり潜ったりするのに短い時間しか費やさないのに対し、ソーラー オービターは太陽を観察し測定しながら、何年もその場にとどまります。
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これらのミッションはどちらも、プラズマとして知られる帯電ガスが太陽の大気から宇宙に放出される方法をさらに解明するという 1 つの目標を持っています。この絶え間ない流れは、太陽風として知られています。それは宇宙を通してエネルギーと太陽の磁場を運び、それを理解することで、何十年も科学者を悩ませてきた問題を解決し、私たちの技術社会を守るための鍵となる可能性があります.
なんて風
太陽風が地球に衝突すると、軌道上や地上の電気技術が混乱したり、破壊されたりする可能性があります。米国科学アカデミーによる最近の研究によると、太陽風によって運ばれる巨大な太陽フレアは、事前の警告がなければ、米国だけで 2 兆ドル相当の損害を引き起こす可能性があり、すぐに解決することはできません。この報告書は、このような巨大な太陽フレアが発電所に多大な損害を与える可能性があることを発見したため、米国の東海岸は 1 年間電力が供給されないままになる可能性があります.ヨーロッパも同様に脆弱です.
しかし、このような規模の嵐は数百年に 1 回しか発生しませんが、小規模な嵐はより頻繁に発生します。これらのほとんどはほとんど混乱を引き起こしませんが、すべて影響があります。たとえば、1989 年 3 月には、小さな太陽嵐が発生し、ハイドロ ケベックの電力系統の電力変圧器が深刻な損傷を受けました。緊急修理が行われたため、電力網が 9 時間以上停止しました。さらに最近では、2003 年にハロウィーンの頃に発生した一連の太陽嵐により、NASA の衛星の半分以上が何らかの形で機能不全に陥りました。強烈なオーロラに関連する放射線。
そのため、太陽の研究はかつてないほどタイムリーに行われていますが、太陽の謎が明らかにされた宇宙時代よりも前の 19 世紀までさかのぼります。 1869 年 8 月 7 日、ロシアと北アメリカの天文学者が皆既日食を観測するために集まりました。つかの間の暗闇の中で、科学者たちは、他の時には見えない何かを見ることができました:太陽コロナの幽霊のようなベール、太陽の外気です.
それは当時の天文学者にとって魅力的な対象でした。天文学者のうちの 2 人、チャールズ・オーガスタス・ヤングとウィリアム・ハークネスは、分光器を使用してコロナ光をその構成波長に分割していました。彼らは、さまざまな化学元素が特定の波長で光を発することを知っており、これらの「スペクトル線」を測定することで、コロナの化学成分を確立できると考えていました。独立して作業を行った2人は、波長530.3nmの緑色のスペクトル線を発見しました。当時、この波長に関連する既知の化学物質がなかったため、天文学者は新しい元素を発見したと考え、大きな興奮を引き起こしました。彼らはそれをコロニウムと名付けました。
ヤングとハークネスが間違っていたことが判明しましたが、科学者がその理由を理解したのは 1930 年代になってからです。天体物理学者のウォルター・グロトリアンとベングト・エドレンは室内実験を行い、鉄がその緑色の光を放つことができることを発見しましたが、それは鉄が非常に高温の 3,000,000°C に加熱され、プラズマとして知られる電気的に変化したガスに変わった場合に限られます.
この認識により、本当の謎が生まれました。太陽のコロナを 3,000,000°C まで加熱しているのは正確には何ですか?太陽の表面温度は (天文学的に言えば) わずか 6,000°C であるため、この問題の規模は計り知れません。 「それは物理学と自然の法則に逆らいます。丘の上を流れる水のようなものです。熱源から離れれば、熱くなるのではなく冷たくなるはずです」と、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所のミッション プロジェクト科学者であるニコラ フォックスは言います。 「このコロナ物質のすべてを突然加速して 3,000,000°C を超える温度にすると、この領域で何が起こるのでしょうか?それが一番の謎です」と Fox は言います。
それが十分な難問ではない場合、関連する 2 つ目の謎があります。ガスは、温度がピークに達したところで太陽から離れます。 「太陽を巨大な重力星と考えると、太陽はその物質にぶら下がっています。それでも、プラズマは離れて移動し、すべての惑星を浸すことができます」とフォックスは言います.
これが太陽風です。主に水素とヘリウムでできています。コロナの素晴らしい温度を裏切った鉄は、実際にはその組成のほんの一部を占めています.太陽風は太陽の磁場を運び、約 1,600,000 km/h (1,000,000mph) で宇宙に流れ出します。惑星を浸し、地球に衝突すると、極地の空に輝く見事なオーロラを発生させます。
クールに
天文学者によると、太陽風の加速は約 10 太陽半径 (1 太陽半径は太陽の半径に等しい) で発生します。 「そこがパーカー ソーラー プローブの目指すところです。宇宙の科学的に重要な領域です」と、パーカー ソーラー プローブの FIELDS 装置の共同研究者であるインペリアル カレッジ ロンドンのティム ホーベリー教授は言います。
パーカー・ソーラー・プローブは、太陽との一連の非常に接近した遭遇を通じて、この重要な領域を繰り返し探索します。革新的な熱保護システム (TPS) のおかげで、急落を乗り切ることができます。この熱シールドは、カーボン フォームの層で分離された 2 枚のプレートでできています。太陽に面する層は白く反射します。フォーム自体は拡散的で軽く、97% が空気で構成されています。これは、宇宙船のために特別に開発および製造されたもので、ミッションの実現を可能にした重要な技術の 1 つです。厚さは 11cm 強で、太陽が近づくと約 1,377°C に加熱されます。宇宙船が配置されている TPS の反対側では、設計により熱がほぼ完全に放散され、約 21°C の快適な室温に低下します。
ソーラー オービターの熱シールドは、低いが一定の熱に耐えなければならないため、異なるアプローチをとっています。その最高温度は約520°Cである可能性が高いですが、パーカー・ソーラー・プローブのように金星の軌道に出て冷却することはありません.ソーラー オービターの熱シールドは、反射する白ではなく真っ黒です。これは、熱を吸収して宇宙空間に放出することを意味します。
それは、焦げた動物の骨から作られた木炭ベースの顔料に由来するSolarBlackと呼ばれる保護スキンで覆われたチタンから作られています.この顔料は黒色のリン酸カルシウムの一種で、肥料や金属合金の製造、水からの重金属のろ過に広く使用されています。このスキンは、ヨーロッパの宇宙探査機を安全に保ち、太陽半径 60 の距離で継続的に動作できるようにします。これは Parker Solar Probe の最接近の 6 倍の距離ですが、この距離を選択する特定の理由があります。 「できるだけ近くまで行って、望遠鏡を使って太陽を観察します」と Horbury 氏は説明します。 Parker Solar Probe の唯一の望遠鏡は横を向いて、通り過ぎる太陽風の画像を撮影します。
ソーラー オービターの望遠鏡は、天文学者が表面ガスの密度、温度、磁場を決定できるように、さまざまな機器を使用してさまざまな波長の広い範囲にわたって太陽の表面を調査します。次に、宇宙船を通過する太陽風と同じ特性を測定する 2 番目の一連の機器が含まれています。 Parker Solar Probe は、太陽の大気の正確な領域を飛行するように設計されており、そこで太陽表面との接続が切断され、太陽風になります。そのため、ミッション科学者はデータを共有することで、太陽表面でのイベント、太陽風の発生、および下流の状態を関連付けることができます。これは、宇宙天気の理解に携わる人々にとって夢のようなものです。
「ソーラー オービターは、太陽で起こっていることと太陽風で起こっていることを関連付けることがすべてです」とホーベリーは言います。
早期警告
これらのミッションを開始する十分な理由となる単なる好奇心を超えて、重要な実用的なアプリケーションがあります。それは、私たちが毎日依存しているテクノロジーを保護することです。
オーロラを発生させるだけでなく、太陽風と地球の磁場との相互作用は、重要な技術に深刻なダメージを与える可能性があります。 1859 年に発生したキャリントン イベントは、記録上、いわゆる太陽嵐の中で最大のものです。オーロラは地球の 3 分の 2 で見られ、世界の電報ネットワークはダウンし、コンパスは役に立たずに回転しました。今日、同じことが衛星ナビ、電気通信、発電所など、社会が機能するために依存しているすべての技術で起こる可能性があります。それでも、ACE (Advanced Composition Explorer) と呼ばれる NASA の宇宙船から 30 分から 60 分の警告しか得られません。
これらの 2 つのミッションが任務を遂行すると、この警告時間は 1 日か 2 日になることが期待されます。これは、太陽嵐が太陽のフレアによって引き起こされ、コロナから太陽風への物質の突然の放出を引き起こすためです。この噴火が宇宙を横切るには 1 日か 2 日かかるため、到来する太陽嵐の激しさを計算するには、太陽風がどのように放出されるかを知ることが重要です。また、重要な電気設備を準備して保護するための時間を増やすこともできます.
「私たちが提供するデータは、モデルを変革的に改善するために使用されます。数年後に大きなイベントが発生すると、モデルは地球に何が起こるかを正確に教えてくれるでしょう」と Fox は言います。 「2つのミッションが同じ時期に進行することは非常に偶然です。彼らは非常に相乗効果があるので、私は彼らが一緒に立ち上がることに興奮することはできませんでした.完璧です。」
- これは BBC Focus の第 317 号からの抜粋です。 雑誌。 購読 記事全文を自宅に届けるか、BBC Focus をダウンロードしてください スマホやタブレットで読めるアプリ。詳細を見る
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