瓶の中の小さな太陽が太陽フレアに光を当てる

ラムズスキバ

セス・パターマンは、国家安全保障上の理由からプラズマの挙動の研究を始めました。 超高速の極超音速ミサイルは周囲の空気を加熱してイオン化し、プラズマと呼ばれる荷電粒子の雲を形成します。これにより電波が吸収され、地上のオペレーターがミサイルと通信することが困難になります。この問題をパターマン氏は解決しようとしていたのです。 そこで彼は、同じプラズマ物理学が太陽にも当てはまるのではないかと思いつきました。

UCLAの科学者と彼の同僚は現在、パターマン氏が「瓶の中の太陽」と呼んでいる、プラズマで満たされた1.2インチのガラス球を作成し、これを使って太陽フレアを引き起こすようなプロセスをモデル化した。 これらは爆発的なエネルギーのバーストであり、時には高速のプラズマの塊の放出を伴い、軌道上の衛星や地上の電力網に大混乱を引き起こす可能性があります。 「私たちが行っている手順はモデリングに影響を与え、宇宙天気の前兆の警告と決定が可能になります」と、彼らの実験について説明した研究論文の主著者であるパターマン氏は述べています。

太陽は基本的に、回転する電気を帯びたガス粒子 (主に電子と電子を剥ぎ取られた水素原子) で構成されるプラズマの渦巻く地獄です。 （恒星プラズマは、トカマク核融合炉で使用される低密度プラズマとは少し異なります。）研究者は長い間、特に特に大きなプラズマ塊が地球に向けて発射された場合に備えて、太陽フレアをより良く理解しようと努めてきました。

研究チームの実験は、部分的にイオン化した硫黄ガスをガラス球の中に入れ、電子レンジで使用されるものと同様の低周波マイクロ波を照射してガスを励起し、華氏約5,000度まで加熱することから始めた。 彼らは、マイクロ波の 30 kHz パルスが音波を発生させ、高温ガスを収縮させる圧力を及ぼすことを発見しました。 この音波の圧力は一種の「音響重力」を生み出し、あたかも太陽の球形の重力場の中にあるかのように流体を動かします。 (実験の重力場は地球の重力場よりも約 1,000 倍強いです。) これによりプラズマ対流が発生します。これは、温かい流体が上昇し、より冷たく密度の高い流体がガラス球の中心部に沈むプロセスです。 このようにして、チームは地球上で初めて、星の内部で通常見られる球状の対流に似たものを作成した人となった。

彼らのプロジェクトは、極超音速飛行体への応用のため、国防総省の先進研究機関である DARPA から最初に資金提供を受けました。 その後、宇宙天気は航空機や宇宙船に影響を及ぼす可能性があるため、空軍研究所の支援を獲得しました。 しかし、天文学者たちは、それが太陽の挙動についての根本的なことも教えてくれると考えている。 「本当の意義は、研究室で太陽対流のシミュレーションを開始し、それによって太陽の神秘的な太陽周期についての洞察を得ることだと思います」と同大学の宇宙天気技術・研究・教育センターのエグゼクティブディレクターであるトム・バーガー氏は言う。コロラド州ボルダー在住の彼はこの研究には関与していなかった。 バーガー氏は、太陽の内側の対流帯がどういうわけかより活発になり、外層またはコロナがより頻繁かつ強力なフレアやプラズマの爆発（コロナ質量放出と呼ばれる）を生成する約 11 年周期について言及している。 バーガー氏によると、太陽の内部領域を探査するのは難しいが、NASAは太陽力学天文台と呼ばれる探査機で探査を試みているが、この探査機は音波を使って太陽の表面をマッピングし、その下にあるプラズマについて推論する。

この分野の他の研究者もパターマン氏らの研究を賞賛しているが、それには限界があると指摘している。 「これはエキサイティングで革新的な開発です。巧妙に行われています。実験室で星の内部ダイナミクスをシミュレートすることは常に課題でした」と、NOAA宇宙天気予測センターとコロラド大学の研究者マーク・ミーシュ氏は言う。

WIREDスタッフ

ブレンダ・ストーリヤー

ウィル・ナイト

メデア・ジョルダーノ

科学者たちは球内にプラズマ対流を発生させることに長い間苦労してきました。 以前の実験では、地球の重力がプラズマの動きに影響を及ぼし、実験が中断される可能性がありました。 これは、この研究の前身であるジオフローという欧州宇宙機関のプロジェクトが 2008 年に国際宇宙ステーションに打ち上げられたことを促しました。これは、惑星内で流体がどのように流れるかについての実験モデルを作成しました。これは、星の内部の対流とそれほど変わりません。 パターマンと彼のチームは、宇宙の微小重力に行かずに球形の対流を作り出すことが可能であることを示した。

しかし、瓶の中の太陽には重要な欠点が 1 つあります。それは、フレアやその他の太陽嵐の重要な要素である磁場が欠けていることです、とミーシュ氏は言います。 太陽嵐のエネルギーは太陽の磁場から来ます。 太陽周期が極大に達すると (今から数年後です)、太陽の内部領域の磁場が絡み合い、集中した磁場の管が形成され、それが表面に上昇し、黒点が生成されます。 そして、フレアやコロナ質量放出はこれらの領域から発生します。 パターマンと彼の同僚にとって、モデル星に磁場を組み込む試みは、研究の次の段階の一部となる。

その間、パターマン氏と彼の同僚は、実験のための新しい応用法を見つけ続けていると言います。 これには、定期的に明るくなったり暗くなったり、定期的な脈動が宇宙のマイルストーンとして機能するセファイド星の研究が含まれており、科学者が他の天体までの距離を図示できるようになります。 「進むべき方向はたくさんあります」とパターマンは言う。 「私たちは基礎科学で画期的な進歩を遂げたと感じています。そうすると、そこにはたくさんの触手があり、私たちはそれを探索して楽しんでいます。」