中国の太陽探査：私たちは星の海を見てきましたが、太陽の探査はまだ未知の領域です

太陽は人々の目に最も輝く天体であり、地球上のすべてのものの成長の源です。それは私たちに明るい春、夏には花、秋には豊かな果実、そして冬には舞い散る雪をもたらします。太陽は私たちの世界を活力と色彩で満たします。しかし、多くの人が知らないのは、太陽が人類に災害をもたらすこともあるということです。

1989年3月13日午前2時頃、カナダのケベック州の人々は突然停電が発生したことに気付きました。エアコン、暖房、エレベーター、照明、地下鉄、電車、空港はすべて停止し、病院の手術台さえも真っ暗になった。停電は12時間続き、氷点下20度の極寒の中で600万人近くが苦しみ、多くの人が命を落とした。停電はケベック州と北米の周辺地域に影響を及ぼした。その後、この災害は3、4日前の同年3月9日と10日に太陽で発生した2回の強力なフレアが原因であることが分かりました。大量のプラズマクラスターが高速で放出され、電流となって地球の磁場に影響を与えた。北米の電力網ではさらなる誘導電流が発生し、電力網に深刻な過負荷がかかり、変圧器やその他の機器が焼損し、大規模な停電につながった。

2003 年のハロウィーンの期間中、一連の太陽フレアにより、ヨーロッパ、米国、および我が国のいくつかの科学衛星が損傷を受け、世界中の衛星通信が混乱し、GPS 測位に重大な偏差が生じ、即時の通信と測位を必要とする一部の交通システムがさまざまな程度で麻痺しました。この出来事は歴史上「ハロウィーンの嵐」として知られています。太陽嵐は、航空、航空宇宙衛星通信およびナビゲーション、大規模電力網の運用、主要国の安全保障などのハイテク システムに非常に大きな破壊的影響を及ぼします。太陽嵐の発生をいかに確実に予測するかは、前述のハイテクシステムに大きく依存している今日の社会にとって特に重要です。

図1: 太陽嵐の模式図

太陽フレアであろうとコロナ質量放出であろうと、最終的には太陽の磁場から発生します。変化する太陽磁場は、太陽の光球に黒点を生み出すだけでなく、太陽フレアやコロナ質量放出の発生を引き起こすこともあります。太陽嵐の起源と発生パターンを研究するために、科学者たちは地上または宇宙に設置されたさまざまな太陽望遠鏡を開発し、建造してきました。その中でも、地上設置型の太陽望遠鏡は比較的コストが低く、保守や操作も容易です。例えば、中国科学院国立天文台懐柔太陽観測所の太陽磁場望遠鏡、明干踏観測所の太陽電波分光計MUSER、伏仙湖畔の雲南天文台の1メートル真空太陽望遠鏡NVSTなどです。しかし一方で、地球の自転の影響により、地上の望遠鏡では日中しか観測することができません。一方、地球の大気による吸収、遮蔽、干渉などにより、紫外線帯やX線帯など多くの帯域では太陽を観測することができません。そのため、宇宙太陽望遠鏡は、人々が太陽を研究し監視するための最も重要なツールとなっています。 1960年代以降、世界各国は70機以上の太陽観測衛星を打ち上げてきました。 2018年、米国のパーカー太陽探査機が宇宙に打ち上げられ、これまでにないほど近い距離で太陽を観測・研究し、数多くの科学的成果を達成した。しかし、宇宙大国である中国は、太陽と空を探索する宇宙の旅にまだ乗り出していない。

図2：我が国の主な太陽観測基地

中国科学院の戦略的優先プロジェクトの一つである先進的宇宙太陽観測衛星（ASO-S）は、2021年末頃に宇宙に打ち上げられ、中国の太陽と空の宇宙探査の空白を埋めることになる。 「先進宇宙太陽観測衛星」には、太陽磁場を観測する全円盤型ベクトル磁力計、太陽フレアの噴出などの非熱的現象を観測する硬X線撮像装置、コロナ質量放出を観測するライマン・アルファ太陽望遠鏡の3つの機器が搭載される。

3 つの楽器を組み合わせた機能に加えて、それぞれの楽器には独自の特徴があります。たとえば、フルディスクベクトル磁気イメージャーは比較的高い時間分解能を備えています。硬X線撮像装置には99個の検出器があり、これは同様の望遠鏡としては世界最多の数です。ライマン・アルファ太陽望遠鏡自体は、世界でも最新の観測バンドウィンドウの 1 つで稼働しています。

上記の検出装置を開発するためには、多数の重要な技術的問題を克服する必要があります。たとえば、硬 X 線イメージング装置の 99 個のプローブは、硬質金属製の格子が前面に付いた 99 個の小さな目に相当します。 X 線光子は格子の隙間を通過する必要があります。最も狭い隙間はわずか18ミクロンで、髪の毛よりも細いです。加工は非常に難しく、熱膨張や収縮、過酷な宇宙環境、打ち上げプロセスなどの要素を総合的に考慮する必要があります。ライマン・アルファ太陽望遠鏡は、国内外で全く新しい観測の窓となります。学ぶべき前例はなく、すべてをゼロから探求する必要があります。

先進宇宙太陽観測衛星は、地球表面から720キロメートル上空の太陽同期軌道で運用される予定。軌道は地球の北極と南極を通過し、98度の傾斜角を持ち、24時間太陽を継続的に観測することができます。少なくとも4年間は軌道上に留まると予想されている。この期間は、第 25 太陽活動周期のピークの年になります。この期間中、強力な太陽噴火活動に関するマルチバンドの高品質観測と研究が実施され、壊滅的な宇宙天気現象の予測に信頼できる基礎が提供されます。

実際、太陽は広大な星空にある何十億もの星の中の、ごく普通の星の一つにすぎません。それが最も眩しい理由は、単純にそれが私たちに最も近いからです。したがって、これは私たちが最も注意深く、最高の空間解像度で観測した星のサンプルでもあります。これは、私たちが詳細に観測できる宇宙最大のプラズマ火球でもあります。現代の天体物理学やプラズマ物理学の天然の実験室として機能することができます。太陽の高解像度、マルチバンド観測は、天体物理学や基礎プラズマ物理学などの分野の発展を大きく促進し、大きな科学的発見の機会をもたらします。

図3: 我が国の先進宇宙太陽観測衛星の主な検出器

わが国の太陽物理学研究論文総数は長い間世界第2位であったが、そのほとんどは欧米の太陽観測衛星による観測データに依存しており、それがある程度「ボトルネック」問題となっていた。太陽物理学の研究と観測のレベルは宇宙天気を予測する能力に直接関係しており、宇宙天気の予測は航空、航空宇宙衛星通信とナビゲーション、国家安全保障など一連の主要な国家ニーズに関係しているからです。独立した観測データシステムがなければ、欧米の大国が関連する観測データを我が国に提供できなくなった場合、我が国の各種ハイテクシステムが麻痺する危険に直面することになる。 「先進的宇宙太陽観測衛星」が宇宙に打ち上げられた後、一連の地上太陽観測設備と組み合わせることで、直接的で独立したマルチバンド太陽観測データが得られ、行き詰まりのリスクを打破できるだけでなく、国際天文学研究に対する中国の力にも貢献することになる。

「先進的宇宙太陽観測衛星」の後も、中国の科学者は太陽と空を探る旅の中で、一連の最新の地上および宇宙太陽探査計画を継続的に推進し、わが国が欧米大国への依存から完全に脱却し、真に世界の航空宇宙大国となることができるように努めます。

著者: タン・バオリン、中国科学院国立天文台

査読者: パン・ジーハオ、国家宇宙探査技術主任科学コミュニケーション専門家

この記事はテンセントの「Everyone Loves Science」チームによって公開されました。

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