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

基本信息

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

项目摘要

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，我们开展了两个研究课题：1.解释最新太阳风观测数据的大规模数值模拟，2.太阳型恒星的XUV辐射建模。美国宇航局新型太阳风探测器帕克太阳探测器令人惊讶的早期结果之一是发现局部磁反转（磁之字形）。由于等离子体的性质，磁之字形结构具有不稳定的磁结构，人们寻求理论解释来解释为什么这种结构可以普遍存在于太阳风中。我利用过去的数值计算经验，通过数值计算再现了观测到的太阳风，接受了理解磁之字形形成机制的挑战。模拟结果表明，由于等离子体波（阿尔芬波）的非线性增长，磁折线自然形成。这意味着，乍一看似乎不稳定的磁之字形结构，如果将视角扩展到非线性阶段，实际上是自然结构，这对磁之字形结构的理解产生了很大影响。我们解决的第二个问题是来自太阳型恒星的极紫外辐射，它最近在系外行星研究中变得非常重要。像太阳这样的恒星（低质量主序星）会发射强烈的 X 射线和紫外线（XUV），这对行星大气的生长和消散以及行星本身的宜居性产生重要影响。。然而，直接观测恒星XUV辐射（尤其是极紫外辐射）原则上几乎是不可能的，了解其特征的唯一方法是利用经验规则。因此，我构建了一个能够在第一性原理基础上重现太阳XUV辐射的理论模型，并将其应用于普通恒星，推导出恒星XUV辐射的通用标度定律。利用这一点，理论上可以从可观测的X射线辐射量中估计出不可观测的极紫外辐射量，这有望对未来的系外行星研究产生重大影响。