古代ケプラーのスケッチが太陽周期の謎への手がかりを明らかに

1607 年、ヨハネス ケプラーは太陽の像を紙に投影し、黒い汚れを見つけました。彼は水星が私たちの星を横切るのを見ているのだと思った。彼は間違っていた。ケプラーは、それとは気づかずに、太陽の機器観測よりも前に、既知の最古の黒点画像である巨大な黒点をスケッチしていました。

天体物理学者たちは、その誤ってラベル付けされたスケッチを分析することにより、黒点が 70 年間にわたって謎に消滅する直前に、ついに太陽の磁気リズムを制限することに成功しました。

ケプラーの 400 年にわたる大失敗は、太陽がグランド ミニマムに入る前にどのように振る舞うかについての長年の議論の解決に役立ち、太陽が一部の復元が示唆していたよりも規則的な周期を維持しているという見解を裏付けています。

壁に映る影

天文学者は通常、現代の望遠鏡を利用して、星の磁気活動のリズミカルな増減を追跡します。太陽周期として知られるこの約 11 年のリズムは、太陽の全体的な気質を決定します。 「太陽極小期」の間、星の表面は比較的穏やかで傷がありません。しかし、このサイクルが「太陽極大期」に向けて加速するにつれて、その磁場はますますもつれ、混沌となります。この高まった磁気張力はねじれたり折れたりして、激しい太陽フレアを引き起こし、黒点として知られる暗い一時的な傷を表面に生成します。

天文学者たちは 1755 年にこれら 11 年間の周期に正式に番号を付け始めて以来、この太陽の振り子の揺れを時計仕掛けのように追跡してきました。私たちは現在、太陽周期 25 の波に乗っています。

しかし、17 世紀初頭、望遠鏡はまさに初期段階にありました。

太陽を撮影するために、ケプラーはカメラ オブスキュラを使用しました。彼は、壁に小さな穴を開け、暗い部屋に太陽光を差し込み、紙の上に落ち、太陽の表面を投影しました。

太陽は、帯電したガス、つまりプラズマの撹拌球です。星が回転すると、星自体の磁場が引きずられ、目に見えない力線がねじれ、曲がりくねります。張力が大きくなりすぎると、これらの磁気バンドが表面を突き抜けて破裂します。これらは下から湧き出る熱を抑制し、約 3,800 ケルビン (3,527 °C または 6,380 °F) のパッチを作成します。これは、周囲の約 5,800 ～ 6,000 ケルビン (5,527 °C ～ 5,727 °C または 9,980 °F ～ 10,340 °F) の光球よりも著しく低温です。

温度と明るさのこのはっきりとしたコントラストにより、地球上の観測者にはそれらは、ヨハネス・ケプラーが 1607 年に水星だと誤って認識したのと同じように、黒い汚れや斑点のように見えます。ケプラーは 10 年後に最終的に自分の間違いに気づき、1618 年に水星の報告を正式に撤回しました。しかし、現代の天文学者は、太陽周期を評価する際に彼のスケッチをほとんど無視しました。

「この記録は望遠鏡による観測ではないため、科学史の文脈でのみ議論されており、17世紀の太陽周期の定量的分析には使用されていませんでした」と名古屋大学の研究者であり、新しい研究の筆頭著者である早川尚氏は名古屋大学の声明で述べた。

「しかし、これは機器観測と投影法で作成された最古の黒点スケッチです。」

最低限

将来の太陽の動きを地図にするには、科学者は太陽の過去をより明確に把握する必要があります。 1645 年から 1715 年の間、太陽は不気味なほど静かになりました。黒点はほとんど消えました。

太陽周期の正式な追跡はその後に行われましたが、望遠鏡自体は 1608 年頃に発明されました。フランスのジョバンニ・カッシーニのような当時の著名な天文学者は、細心の注意を払ってメモを取り、太陽がいかに完全に空白であるかに公然と驚嘆しました。場合によっては、何年も傷を一つも見つけられないまま過ごすこともありました。 1671 年、カッシーニは黒点を発見し、それを大きな出来事として書き、誰も黒点を観測してから約 10 年が経っていたと述べました。

研究者たちはこの時代をマウンダー極小期と呼んでいます。

当時の望遠鏡による記録はまばらであり、天文学者が望むほど信頼性が低いため、研究者たちは歴史的にそのギャップを埋めるために古代の木に目を向けてきました。

太陽の活動が活発なとき、その強力な磁場がシールドのように働き、宇宙放射線が地球に到達するのを防ぎます。しかし、私たちの星が静かになると、そのシールドは落ちます。

宇宙線は私たちの大気に衝突し、炭素14と呼ばれる特定の種類の炭素を生成します。木は成長するにつれて空気からこの炭素を吸収し、太陽の歴史の永久的な記録を木の年輪の中に閉じ込めます。

しかし、それらの指輪を読み取るのは難しいです。同じサンプルを解釈した異なるチームは、マウンダー極小期直前の太陽周期について矛盾した結論に達しました。

一部の研究者は、サイクル14（現代の追跡時代以前の14番目の周期）と呼ばれる太陽周期は、異常に短い5年間のブリップであると主張した。他の人は、それが標準的な11年から14年の周期であると主張しました。彼らには決定的なタイブレークが必要だった。ケプラーは答えを持っていました。

ソーラータイムマシン

早川氏と彼の国際チームは、ケプラーの現存する図面を分析した。1 枚はケプラーの自宅で描かれ、もう 1 枚は同日遅くにプラハの城塞の作業場で急いでスケッチされた。研究チームは、1607 年 5 月 28 日のプラハ上空の太陽の正確な傾きを計算しました。ケプラーの図面をこれらの現代の軌道モデルに照らし合わせることにより、ケプラーが目撃した黒点のより正確な座標を推定しました。

シュペラーの法則として知られる原理により、11 年周期の初めに黒点が星の極近くの高緯度で爆発することが定められています。サイクルが進行するにつれて、新しいスポットが太陽赤道にどんどん近づいて現れます。

ケプラーの絵では、黒点は非常に低い緯度に配置されていました。これは、太陽が周期の始まりではなく、終わりにあることを意味しました。

この低緯度の地点を、わずか数年後に行われたその後の望遠鏡観測と照合することで、研究者らはケプラーの観測を太陽周期 14 の終わりにしっかりと定着させました。次のサイクルへの移行は 1607 年から 1610 年の間にスムーズに行われました。

結局のところ、太陽は正常に動作していました。一定の 11 ～ 14 年周期を示す年輪データは、ずっと裏付けられていました。私たちの星は、マウンダー極小期にスパッタリングして失速することはありませんでした。一定のリズムから徐々に滑り込んでいきました。

「ケプラーの発見をより広範な太陽活動の再構成の中に位置付けることにより、科学者は、規則的な太陽周期から大太陽極小期への移行を示すこの極めて重要な時期における太陽の挙動の変化を解釈するための重要な文脈を得ることができる」と早川氏は述べた。

ケプラーは、自分が星の磁気周期を追跡していることを知る由もありませんでした。彼は当時の技術的限界を回避しながら、見たものをただスケッチしました。しかし、その単一の誤認された黒点は太陽の歴史の重要な部分を保存し、4 世紀後に天文学者が必要としたミッシングリンクであることが判明しました。

この研究は、2024 年にThe Astrophysical Journal Lettersに掲載されました。 。