100万度以上！太陽から遠ざかるほど暑くなるのはなぜですか?

理論上は、熱源から遠ざかるほど、空気は冷たくなります。不思議なことに、太陽の場合はそうではありません。現在、ニュージーランドの科学者たちはその主な理由を発見したかもしれない。

太陽の表面温度は摂氏約6000度ですが、太陽の表面から数百キロメートル以内では、温度が急激に100万度以上に上昇し、太陽の大気、つまりコロナになります。

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「温度が非常に高いため、ガスは太陽の重力から逃れて『太陽風』となり、宇宙に飛び出して地球や他の惑星に衝突する」と、この研究を率いたオタゴ大学物理学部のジョナサン・スクワイア博士は述べた。

研究者たちは測定と理論から、突然の温度上昇は太陽表面の磁場と関係があることを知っていた。しかし、これらの磁場がどのようにガスを加熱するかは不明であり、これはコロナ加熱問題として知られています。

「天体物理学者は、この加熱を説明するために磁場エネルギーが熱に変換される仕組みについていくつかの異なる考えを持っているが、そのほとんどは観測結果のいくつかの側面を説明するのに苦労している」とスクワイア氏は語った。

一般的な理論は、乱流によって引き起こされる加熱と、イオンサイクロトロン波と呼ばれる磁気波の一種によって引き起こされる加熱に基づいています。

スクワイア氏と共著者のロマン・メイランド博士は、米国プリンストン大学と英国オックスフォード大学の科学者と共同研究を行い、これまでの2つの理論を1つに統合することで問題の重要な部分を解決できることを発見した。チームの調査結果は最近、Nature Astronomy 誌に掲載されました。

「しかし、どちらにも問題がある。乱流では、ガス中の水素、ヘリウム、酸素がなぜそれほど熱くなるのに、電子は予想外に冷たいのかを説明するのは難しい。また、磁気波理論ではこの特徴を説明できるが、太陽の表面にはガスを加熱するのに十分な波がないようだ」とメイランド氏は語った。

研究チームは、コロナガスの6次元スーパーコンピューターシミュレーションを使用して、2つの理論が実際には同じプロセスの一部であり、「スパイラルバリア」と呼ばれる奇妙な効果によって結びついていることを示すことができた。

この興味深い現象は、メイランド氏が率いたオタゴでの以前の研究で発見されました。

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「プラズマの加熱が丘を流れ落ちる水のように起こり、電子が底で加熱されると考えると、らせん障壁はダムのように機能し、水の流れを止めてそのエネルギーをイオンサイクロトロン波に変換します。このように、らせん障壁は 2 つの理論を結び付け、それぞれの問題を解決します」とメイランド氏は説明します。

この最新の研究では、研究チームはシミュレーションで磁力線をかき混ぜ、乱流によって波が発生し、それが加熱を引き起こすことを発見した。

これが起こると、形成される構造や渦は、最近太陽コロナに実際に飛び込んだ最初の人工物となったNASAのパーカー太陽探査機によって測定されたものと驚くほどよく似たものになる。

「これにより、コロナの主要な物理現象を正確に捉えることができたという自信が得られ、加熱メカニズムに関する理論的発見と組み合わせることで、コロナ加熱を理解するための効果的な方法が得られる。」

スクワイア氏は、太陽の大気とそれに伴う太陽風についてさらに学ぶことは、それらが地球に重大な影響を及ぼすため重要であると説明した。

太陽風が地球の磁場と相互作用する影響は「宇宙天気」として知られており、オーロラから衛星に損傷を与える放射線、電力網を停止させる地磁気電流まで、あらゆる現象を引き起こします。基本的に、これらはすべてコロナとその磁場からの加熱によって引き起こされます。

「おそらく、基礎となる物理学をより深く理解することで、将来の宇宙天気を予測し、数十億ドルの損害を回避できる保護戦略を実施するためのより優れたモデルを構築できるようになるだろう」とスクワイア氏は語った。

出典：中国科学日報

著者: 李牧子

関連論文情報:

https://doi.org/10.1038/s41550-022-01624-z

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