Theoretical and observational studies of the driving mechanism of the solar wind

太阳风驱动机制的理论与观测研究

• 批准号: 19J00567
• 负责人: 庄田 宗人
• 金额: $ 3.33万
• 依托单位: National Astronomical Observatory of Japan
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J00567/
• 关键词: 太陽風; プラズマ乱流; 恒星X線放射; 恒星紫外線放射; 磁気流体数値計算; 恒星風; 太陽コロナ加熱; 恒星進化論; 磁気流体乱流; コロナ加熱; 恒星進化

本年度は1.最新太陽風観測データ解釈に向けた大規模数値シミュレーション、2.太陽型星のXUV放射モデリングの二つの研究課題に取り組んだ。NASAの新太陽風探査機Parker Solar Probeの驚くべき初期成果の一つが局所的磁気反転現象（磁気スイッチバック）の発見である。磁気スイッチバックはプラズマの性質上不安定な磁気構造を持っており、何故そのような構造が太陽風中に普遍的に存在できるか、その理論的解釈が求められた。私はこれまでの数値計算の実績を活かし、観測された太陽風を数値計算で再現することで磁気スイッチバックの形成メカニズムの理解に挑戦した。シミュレーションの結果、プラズマの波動（アルベーン波）が非線形的に成長することで自然と磁気スイッチバックが形成されることを示した。これは一見不安定に見える磁気スイッチバックは非線形段階まで視点を広げれば実は自然な構造であることを意味し、磁気スイッチバックの理解に大きなインパクトを与えた。第二の課題として取り組んだ太陽型星のXUV放射は近年系外惑星研究において非常に重要視されている。太陽のような恒星（小質量主系列星）は強いX線、紫外線（両者合わせてXUV）を放っており、それらは惑星大気の成長、散逸、さらに惑星の居住可能性そのものに中心的な影響を与える。ところが恒星XUV放射（特に極端紫外線放射）は直接観測することが原理的にほぼ不可能であり、その特性を知るためには経験則を用いるしかなかった。そこで私は太陽XUV放射を第一原理的に再現できるような理論モデルを構築し、さらにそれを一般の恒星へと応用することで恒星XUV放射に関する普遍的スケーリング則を導出した。これを用いることで、観測可能量であるX線放射から観測不能量である極端紫外線放射を理論的に推定することが可能となり、今後の系外惑星研究に大きなインパクトを与えると期待される。

今年，我们谈到了两个研究主题：1。用于解释最新太阳风观测数据的大规模数值模拟，以及2个。太阳能型星的XUV辐射建模。 NASA新的太阳风探头帕克太阳能探测器的令人惊讶的早期结果之一是发现局部磁反转（磁换回）。由于血浆的性质，磁换回具有不稳定的磁性结构，并且对为什么需要在太阳风中普遍存在这种结构的理论解释。利用我过去在数值计算中的经验，我挑战了自己，通过通过数值计算来复制观察到的太阳风来理解磁换回的机制。仿真结果表明，血浆波（Albane波）自然非线性生长，从而导致磁换回。这意味着乍看之下似乎不稳定的磁换回，如果它们将视野扩展到非线性阶段，这实际上是自然的结构，这对理解磁换回去产生了重大影响。近年来，我们已将其作为第二个挑战所说的太阳能恒星的XUV辐射非常重要。太阳状的恒星（小质量主系列恒星）散发出强的X射线和紫外线（均组合XUV），它们对生长，行星大气的耗散以及地球的可居住性具有中心作用。但是，几乎不可能直接观察到星XUV辐射（尤其是极端紫外线辐射），并且为了知道其特征，我们别无选择，只能使用经验法则。因此，我构建了一个理论模型，可以在第一个原理中重现太阳XUV辐射，并通过将其应用于一般恒星，从而为Star Xuv辐射提供了通用的缩放定律。使用此方法，从理论上可以从可观察到的X射线辐射量的极端紫外线辐射中估算出不可观察的极限辐射，这是无法观察到的，并且预计将对未来的外部系外行星研究产生重大影响。

项目成果

Direct numerical simulations of MHD turbulence in the solar wind

太阳风中 MHD 湍流的直接数值模拟

• 发表时间: 2021
• 作者: Shoda Munehito;Suzuki Takeru Ken;Asgari-Targhi Mahboubeh;Yokoyama Takaaki;庄田宗人;庄田宗人;Munehito Shoda
• 通讯作者: Munehito Shoda

Parametric decay instability of Alfven wave and its role in the solar wind acceleration

阿尔文波参数衰变不稳定性及其在太阳风加速中的作用

• 发表时间: 2021
• 作者: Shoda Munehito;Suzuki Takeru Ken;Asgari-Targhi Mahboubeh;Yokoyama Takaaki;庄田宗人;庄田宗人;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda
• 通讯作者: Munehito Shoda

Turbulent generation of magnetic switchbacks: a direct numerical simulation

磁之字形湍流的产生：直接数值模拟

• 发表时间: 2021
• 作者: Shoda Munehito;Suzuki Takeru Ken;Asgari-Targhi Mahboubeh;Yokoyama Takaaki;庄田宗人;庄田宗人;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;庄田宗人;庄田宗人;庄田宗人;庄田宗人;庄田宗人;Shoda Munehito
• 通讯作者: Shoda Munehito

Compressional magnetohydrodynamic turbulence as a possible origin of magnetic switchbacks observed by Parker Solar Probe

压缩磁流体动力湍流是帕克太阳探测器观测到的磁之字形可能的起源

• 发表时间: 2020
• 作者: Shoda Munehito;Suzuki Takeru Ken;Asgari-Targhi Mahboubeh;Yokoyama Takaaki;庄田宗人;庄田宗人;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;Munehito Shoda;庄田宗人;庄田宗人;庄田宗人;庄田宗人;庄田宗人;Shoda Munehito;庄田宗人;庄田宗人;Shoda Munehito;庄田宗人
• 通讯作者: 庄田宗人

Trinity College Dublin(アイルランド)

都柏林圣三一学院（爱尔兰）