太陽の熱対流が磁場をねじり、フレアを起こす

太陽の表面に黒点が作られるとき、その下に伸びる磁力線は太陽内部の熱対流によってよじられることがコンピューターシミュレーションで示された。こうして発生した磁場のねじれはフレアの原因となる。

【2023年6月29日 JAXA宇宙科学研究所】

太陽の上層大気であるコロナで起こる太陽フレアは、太陽系で起こる最大の爆発現象だ。フレア発生の原因は、コロナの磁場がねじれることで蓄えられたエネルギーが突発的に解放されることである。また、フレアは強い磁場のかたまりである黒点の周辺で発生しやすく、その黒点は、太陽の内部の対流層から磁力線の「たば」（磁束管）が浮上することで形成される。このことから、対流層から強くねじれた磁束管が浮上し、そのねじれが黒点を作る際にコロナに供給されることでフレアが発生すると考えられている。

しかし、対流層の内部を見通すことはできないため、実際にどのように磁束管が浮上して黒点を形成するのかは明らかになっていない。とくに、激しい熱対流が起こっている対流層で、磁束に熱対流がどのような影響を与えるかはわかっていない。

JAXA宇宙科学研究所の鳥海森さんたちの研究チームは、理化学研究所の「富岳」と国立天文台の「アテルイII」という2種類のスーパーコンピューターによる大規模数値シミュレーションを行い、対流層から磁束管が浮上して黒点が形成される様子を再現した。その際、磁束管のねじれ強度を人工的に変化させて、熱対流が磁束浮上・黒点形成に与える影響を調べた。その結果、磁束管のねじれがゼロでも、上昇流に押し上げられることで、太陽表面に到達して黒点を形成しうることが示された。

ねじれゼロの磁束管による黒点形成の様子と磁場強度と太陽表面の明るさ
ねじれゼロの磁束管が対流層の内部を浮上する様子を3次元的に示したもの。（左）計算開始12時間後における磁場強度と太陽表面の明るさ。（右上）36時間後における太陽表面の明るさ、（右下）磁場強度。正極（白）・負極（黒）の黒点が形成された（提供：Toriumi et al. (2023)、以下同）

今回のシミュレーションでは、渦の向きがたまたま磁気ヘリシティ（磁場のねじれ度合いを示す量）を強化するように働いたが、熱対流の様子が異なる別のシミュレーションでは、磁気ヘリシティが減少する可能性もありうるという。

磁束管が浮上して黒点を作る際の時間に沿った変化の様子
太陽表面に出現した磁束量（上）とコロナへ供給された磁気ヘリシティ（下）の時間変化の様子。ねじれゼロ（赤）、ねじれ弱（青）、ねじれ強（黒）の3つの初期条件の場合を比較している。ねじれゼロの磁束管についても有限の（ゼロではない）磁気ヘリシティが供給され、その量はねじれ有りの場合の数十%に及ぶことがわかる

さらに、ねじれゼロの磁束管が作った黒点の磁場分布を解析したところ、小規模の太陽フレアを引き起こす能力があることもわかった。熱対流の効果だけでもフレアを説明するだけのねじれが供給されうることを示す結果である。

今回の成果は、熱対流が磁場をよじる効果によっても多大なねじれが供給されて、ねじれゼロの磁束管であってもフレアを生じる黒点が形成されうることを示したもので、従来のフレア発生メカニズムの認識に一石を投じるものとなった。

シミュレーションの動画「A non-twisted flux tube rises through the convection zone and builds up sunspots」。シミュレーションの開始時に太陽の深さ約2万kmに置かれたねじれゼロの磁束管が、熱対流の上昇流によって押し上げられて太陽表面に達すると黒点が形成された