太陽における光球の最初の分光分析 - 定義

太陽（ラテン語ではソル、ギリシャ語ではヘリオスまたは?λιοσ ）は、私たちの惑星系である太陽系の星です。その周りを地球、他の 7 つの惑星、3 つの準惑星、小惑星、流星体、彗星、星間塵が回っています。太陽だけで、このように構成された太陽系の質量の 99.8% を占めます (木星が残りのほぼすべてを占めます)。太陽光によって伝わる太陽エネルギーは、熱と光を提供することで地球上の生命を可能にし、液体状態の水の存在と植物の光合成を可能にします。太陽の放射線は、気候や地球上で観察されるほとんどの気象現象にも関与しています。地球表面の熱密度は 99.98% が太陽起源です。残りの0.02％は地球そのものからの熱です。

太陽は、星間物質と約 2,000 億の星で構成される銀河、天の川の一部です。円盤の赤道面から 15 パーセクの距離にあり、銀河中心からは 8,600 パーセク (約 25,000 光年) の距離にあります。

太陽の周りを回る地球の軌道の長半径 149,597,870 km は、天文単位(au) の最初の定義でした。

天文および占星術における太陽のシンボルは、中心に点を持つ円です: ?。

一般講演

地表からレンズを通して見た太陽。

太陽は、74% の水素、25% のヘリウム、および一部のより重い元素で構成される矮星です。太陽のスペクトルタイプは G2–V です。「G2」は、平均よりも暖かく (表面で約 5,770 ケルビン)、明るく、黄白色であることを意味します。そのスペクトルには、イオン化した金属バンドと中性金属バンド、およびかすかな水素バンドが含まれています。接尾辞「V」は、大部分の恒星と同様に、ヘルツシュプルング・ラッセル図の主系列に沿って現在進化していることを示します。この星は、その核で水素をヘリウムに変換する核融合反応からエネルギーを引き出しています。静水圧平衡状態にあり、継続的な収縮も膨張も受けません。私たちの銀河系には、同じスペクトルタイプの星が 1 億個以上あり、太陽はごく普通の星です。実際には銀河内の恒星の 85% よりも明るいですが、その大部分は赤色矮星です。 ^{[ 2 ]}

太陽は天の川銀河の中心を周回し、そこから約 25 ～ 28,000 光年離れています。銀河公転の周期は約2億2千万年、速度は秒速217kmで、約1,400年に1光年、8日で1天文単位に相当します。 ^{[ 3 ]}この銀河革命では、太陽は円盤の他の星と同様に、銀河面の周りで振動運動をします。太陽銀河軌道は、その公転面に垂直な正弦波のうねりを示します。太陽はおよそ3000万年ごとにこの面を一方の側からもう一方の側、つまり銀河の南北方向、そしてその逆に横切り、銀河円盤内に留まりながら最大約230光年だけ太陽面から遠ざかることになる。銀河円盤の質量は、異なる回転面を持つ星を引き寄せます。

太陽もその軸を中心に回転し、その周期は約 27 地球日です。実際には、固体ではないため、回転差が生じます。赤道 (25 日) では、極 (35 日) よりも速く回転します。太陽はまた、太陽系の重心の周りを回転しますが、後者は主に木星の巨大な質量（太陽質量の約1000分の1）により、星の中心からほぼ太陽半径の位置にあります。

太陽の自然史

太陽は人口 I 星で、現在年齢は約 46 億歳で、メインシーケンスの約半分に相当します^{[ 4 ]} 。太陽系内に金やウランなどの重元素が豊富に存在することからわかるように、超新星によって生成された衝撃波の結果として形成されたということが一般に受け入れられています。このような元素は、超新星爆発中の吸熱性核反応の影響下で、または核変換によってのみ形成された可能性があります。

現在の状態では、太陽の核は毎秒400 万トンを超える物質 (質量) をエネルギーに変換し、それが星の上層に伝達され、電磁放射(光、太陽放射) の形で宇宙に放出されます。 ) と粒子束(太陽風)。今後 50 億年で、太陽の水素埋蔵量は徐々に枯渇していきます。その輝きは10億年ごとに約7%増加します。 100億年くらいになると静水圧のバランスが崩れてしまいます。中心核は収縮して加熱し始めるが、熱流によって膨張して重力の影響から部分的に解放された表面層は徐々に押し戻され、太陽は膨張して赤色巨星に変形する。このプロセスの終わりには、太陽の直径は現在の約 100 倍になります。水星と金星の軌道を超えるでしょう。地球が生き残ったとしても、ただの焼け野原になるだろう。

太陽の質量は超新星として爆発するには十分ではありません。約2億5000万年後、核の温度が約1億ケルビンに達すると、核は崩壊し、表層は宇宙空間に放出され、惑星状星雲が誕生します。その後、星の残骸は白色矮星を形成し、最終的に消滅するまで冷却されるまでさらに数十億年間生存することができます。このシナリオは低質量星から中質量星に特徴的なものです^{[ 5 ]} 、 ^{[ 6 ]} 。

太陽探査の歴史

現代科学的アプローチの発展

ギリシャの哲学者アナクサゴラスは、太陽に関する科学理論を提案した最初の西洋人の一人であり、太陽はペロポネソス半島よりも大きい白熱の塊であり、ヘリオスの戦車ではないと主張した。この大胆さにより彼は投獄され、死刑判決を受けましたが、後にペリクレスの介入のおかげで釈放されました。 2世紀後の紀元前3世紀に、エラトステネスは間違いなく地球と太陽の距離(約1億4,900万キロメートル)を正確に推定した最初の人物でした。

コペルニクスは天動説を打ち破り、太陽を宇宙の中心に置く地動説を提唱しました。ガリレオとケプラーは彼の研究を深めました。

16^世紀、コペルニクスは、地球は太陽の周りを回っており、これまで信じられてきたようにその逆ではない、と理論づけました。 17^世紀初頭、ガリレオは太陽の望遠鏡観測を開始し、黒点を観察し、黒点が星の表面にあり、太陽と地球の間を通過する物体ではないのではないかと考えた^{[ 7 ]} 。ほぼ100年後、ニュートンはプリズムを使用して太陽光を分解し、可視スペクトルを明らかにし^{[ 8 ]} 、1800年にはウィリアム・ハーシェルが赤外線を発見した^{[ 9 ]} 。 19^世紀には、特に彼の名前の由来となった太陽スペクトルの吸収線を観測したヨーゼフフォンフラウンホーファーの指導の下、太陽の分光観測の分野で大きな進歩が見られました。

太陽エネルギーの源は、近代科学時代の初期の主要な謎でした。当初はいくつかの理論が提案されましたが、どれも本当に満足できるものではありませんでした。ケルビン卿は、太陽がその中心に蓄えられた熱から放射することによって徐々に冷却される液体体であることを示唆するモデルを提案した^{[ 10 ]} 。ケルビンとヘルムホルツは、ケルビン・ヘルムホルツ機構として知られる理論を通じて太陽エネルギー生成を説明しようとしました。残念なことに、このメカニズムに基づいて推定された太陽の年齢は 2,000 万年を超えず、地質学が示唆するものよりもはるかに小さかった。 1890年、ヘリウムの発見者であるジョセフ・ノーマン・ロッキャーは、太陽の形成と進化に関する隕石理論を提唱した^{[ 11 ]} 。

1904 年になって、アーネスト・ラザフォードの研究によって、最終的にもっともらしい仮説が提示されました。ラザフォードは、エネルギーは内部熱源によって生成および維持され、放射能がこのエネルギーの源であると仮定しました^{[ 12 ]} 。アルバートアインシュタインは、質量とエネルギー (E=mc²) の関係を実証することにより、太陽エネルギー発生装置の理解に不可欠な要素を提供しました。 1920年、アーサー・エディントン卿は、太陽の中心は極度の圧力と高温の場所であり、水素をヘリウムに変換し、質量の減少に比例してエネルギーを放出する核融合反応を可能にするという理論を提案した^{[ 13 ]} 。この理論モデルは、1930 年代に天体物理学者のスブラマニャンチャンドラセカールとハンスベーテの研究によって補足されました。彼らは、太陽の中心でエネルギーを生成する 2 つの主要な核反応を詳細に説明しました^{[ 14 ]} ^、 ^{[ 15 ]} 。最後に、1957 年には、 「星の元素の合成」と題された論文^{[ 16 ]}が、宇宙で遭遇する元素のほとんどが太陽などの星の中心部での核反応の影響で形成されたことを決定的に証明しました。

太陽宇宙ミッション

SolarMax衛星のアーティストの印象。彼は 1984 年から 1989 年まで太陽コロナと黒点を観察しました。

惑星間空間から太陽を観察するために設計された最初の探査機は、1959年から 1968 年の間にNASAによって打ち上げられました。これらはパイオニアミッション 5、6、7、8、9でした。彼らは地球の軌道と同じくらいの距離で太陽を周回しているため、太陽風と太陽磁場の初めての詳細な分析が可能になりました。パイオニア 9 は特に長期間運用され、1987 年まで情報を送信しました^{[ 17 ]} 。

1970 年代、2 つのミッションにより、太陽風と太陽コロナに関する重要な情報が科学者に提供されました。ドイツ系アメリカ人の探査機ヘリオス1号は、水星よりも小さな軌道の近日点から太陽風を研究した。 1973 年に打ち上げられたアメリカのスカイラブステーションには、アポロ望遠鏡マウントと呼ばれる太陽観測モジュールが含まれており、ステーションに搭乗する宇宙飛行士によって制御されていました。スカイラブは彩層とコロナの間の遷移帯と太陽コロナからの紫外線放射を初めて観測した。このミッションでは、太陽風と密接に関連していることが現在わかっている現象である、コロナ質量放出とコロナホールの最初の観測も可能になりました。

1980 年に NASA は、太陽活動が活発な期間に太陽フレアによって放出されるガンマ線、X 線、紫外線を観測するために設計されたソーラーマキシマムミッション衛星(ソーラーマックスとしてよく知られています) を打ち上げました。残念ながら、打ち上げから数か月後、電子的な故障により衛星はスタンバイモードになり、その後 3 年間、装置は動作しなくなった。しかし、1984 年、スペースシャトルチャレンジャー計画のSTS-41-Cミッションにより衛星が捕捉され、修理と再打ち上げが可能になりました。その後、 SolarMax は1989 年 6 月に破壊されるまで、太陽コロナと黒点の数千回の観測を実行することができました^{[ 18 ]} 。

1991 年に打ち上げられた日本の陽光(サンレイ) 衛星は、X 線の波長で太陽フレアを観測しました。このミッションによって報告されたデータにより、科学者はさまざまな種類のフレアを特定することができ、活動のピーク領域を超えるとコロナがはるかに多いことが実証されました。以前に想定されていたよりもダイナミックでアクティブです。ようこうは太陽周期全体を追跡しましたが、2001 年 12 月 14 日の金環日食の後に失敗しました。2005 年に大気圏に突入して破壊されました。 ^{[ 19 ]}

これまでで最大の太陽ミッションの 1 つは、1995 年 12 月 2 日に欧州宇宙機関と NASA が共同で打ち上げた太陽太陽圏天文台(SoHO) です。当初は 2 年間の予定でしたが、SoHO ミッションは現在も活動中です。これは非常に成功したことが証明され、太陽力学観測所と呼ばれる拡張ミッションが 2008 年に計画されています。SoHO は地球と太陽の間のラグランジュ点(これら 2 つの天体の引力が等しい点) に位置し、太陽の画像を継続的に送信しています。異なる波長の太陽。この太陽の直接観測に加えて、SoHO は多数の彗星の発見を可能にし、主に太陽をかすめて通過中に破壊された非常に小さな彗星を発見した^{[ 20 ]} 。

これらの衛星によって記録されたすべての観測は、黄道面から取得されます。その結果、太陽の赤道付近しか詳細に観察できませんでした。しかし、1990 年に、太陽の極域を研究するために探査機ユリシーズが打ち上げられました。最初に木星に向かって移動し、重力の助けを利用して黄道面から分離しました。幸運なことに、この彗星は 1994 年 7 月にシューメーカーレビー 9 彗星と木星の衝突を観察するのに理想的な場所にありました。計画された軌道に到達すると、ユリシーズは高太陽緯度での太陽風と磁場の強さを研究し、極での太陽風が予想（約750 km/s）よりも遅いことと、かなりの波の磁気線が発生していることを発見し、宇宙線の分散^{[ 21 ]} 。

ジェネシスミッションは、太陽風のプロットを捕捉して太陽物質の組成を直接測定することを目的として、2001 年に NASA によって開始されました。 2004 年 9 月 10 日に地球に帰還する際に大きな損傷を受けましたが、サンプルの一部は保存され、現在分析中です。

太陽の構造と機能

太陽の断面構造

太陽は中程度の大きさの星ですが、それだけで太陽系の質量の 99% 以上を占めます。その形状はほぼ完全な球形で、極の平坦化は 100 万分の 9 と推定されています^{[ 22 ]} 。これは、極の直径が赤道の直径よりわずか 10キロメートル小さいことを意味します。

地物とは異なり、太陽には明確に定義された外側の限界がありません。太陽のガスの密度は、中心から遠ざかるにつれてほぼ指数関数的に低下します。一方、その内部構造は以下に示すように明確に定義されています。太陽の半径は、太陽の中心から光球までの距離で測定されます。光球は、ガスがその下で不透明になるまで凝縮され、それを超えると透明になる層です。したがって、光球は肉眼で最も簡単に見ることができます。太陽質量の大部分は中心から半径 0.7 の位置に集中しています。もちろん、太陽の内部構造は直接観察できず、太陽自体は放射線不透過性であるため、視覚的な機器はその内部構造を突き破ることができません。しかし、地震学が地震によって生成される波の研究を通じて地球の内部構造を決定することを可能にしたのと同じように、太陽地震学は太陽の脈動を使用して太陽の内部構造を測定し、間接的に視覚化します。コンピューターシミュレーションは、より深い層を調査するための理論的ツールとしても使用されます。

心臓とか核とか

太陽の核は中心から太陽半径約0.2まで広がっていると考えられています。その密度は 150,000 kg/m ³ (地球上の水の密度の 150 倍) を超え、その温度は 1,500 万ケルビンに近づきます (これは、約 6,000 ケルビンの太陽の表面温度とははっきりと対照的です)。心臓では、主に水素をヘリウムに変換する発熱熱核反応 (核融合) が発生しますが、ヘリウムを炭素に、炭素を鉄に変換することもあります (核反応#太陽も参照)。

太陽は、その核で水素をヘリウムに変える核融合反応からエネルギーを得ています。

毎秒約 8.9×10 ^{37 個の}陽子 (水素原子核) がヘリウムに変換され、毎秒 426 万トンの物質が消費される速度でエネルギーを放出し、毎秒 383 ヨッタジュール (383×10 ²⁴ジュール)、またはこれと同等のエネルギーを生成します。 9.15×10 ¹⁶トンのTNTの爆発。核融合の速度は炉心の密度に比例するため、炉心内の核融合は自己制御プロセスです。核融合の速度がわずかに増加すると、炉心の加熱と膨張が引き起こされ、その結果、核融合の速度が低下します。融合率。逆に、融合速度がわずかに低下すると、コアが冷却されて密度が高まり、融合レベルが開始点に戻ります。

核は、核融合によって顕著な量の熱を生成する太陽の唯一の部分です。星の残りの部分は、そこから来るエネルギーのみから熱を受け取ります。そこで生成されたすべてのエネルギーは、太陽放射や粒子流の形で宇宙に逃げる前に、多数の連続した層を通過して光球に至らなければなりません。

核融合反応中に放出される高エネルギー光子（X 線とガンマ線）は、物質との相互作用や、より低いエネルギーレベルでの吸収と再放出の永続的な現象によって速度が低下し、太陽の表面に到達するまでにかなりの時間がかかります。太陽マントルの中で。核から表面までの光子の通過時間は、17,000 ^{[ 23 ]}から 5,000 万年^{[ 24 ]}の間であると推定されています。対流層を通過して光球に到達した後、光子は主に可視光として宇宙に逃げます。太陽の中心で生成される各ガンマ線は、最終的に宇宙に逃げる前に数百万の光子の光に変換されます。ニュートリノは核融合反応によっても放出されますが、光子とは異なり、物質とほとんど相互作用しないため、すぐに放出されます。長年にわたり、太陽によって生成されるニュートリノの数は理論値よりも 3 分の 1 少ないと測定されてきました。これが太陽ニュートリノの問題でしたが、ニュートリノ振動の理解が深まったことで最近 (1998 年) に解決されました。。

放射線ゾーン

放射ゾーンまたは放射ゾーンは、太陽半径約 0.2 ～ 0.7 です。太陽電池材料は非常に高温で高密度であるため、中心から最外層への熱の伝達は熱放射のみによって行われます。イオン化した水素とヘリウムは、他のイオンによって再吸収される前に短い距離を移動する光子を放出します。このゾーンでは、材料がコアから離れるにつれて冷却されるものの、熱勾配は断熱熱勾配よりも低いままであるため、熱対流は存在しません。そこでの温度は200万ケルビンまで下がります。

対流ゾーン

対流帯または対流帯は、中心から太陽の目に見える表面まで太陽半径 0.7 倍に広がります。それは厚さ約 3,000 キロメートルのタコクリン層によって放射線ゾーンから隔てられており、最近の研究によれば、この層は強力な磁場の拠点である可能性があり、太陽ダイナモにおいて重要な役割を果たすと考えられています。対流ゾーンでは、物質はもはや、放射によって熱を排出するのに十分な密度も熱もありません。したがって、熱は、垂直方向の動きによる対流によって光球に向かって伝導されます。そこでの温度は200万ケルビンから6,000ケルビンまで上昇します。地表に到達した物質は冷却され、再び対流ゾーンの底部に突入し、輻射ゾーンの上部などから熱を受け取ります。このようにして形成された巨大な対流セルは、星の表面で観察できる太陽粒子の原因となっています。この領域で発生する乱流は、太陽の表面の南北の磁気極性の原因となるダイナモ効果を生み出します。

光球

フィルターを通して見た光球。黒点の存在により、簡単に識別できます。

光球は太陽の表面の目に見える部分です。その下では、太陽は可視光に対して不透明になります。光球を越えると、可視光は空間を自由に伝播し、そのエネルギーは太陽から完全に逃げます。光球の厚さはわずか数十から数百キロメートルで、地球上の空気よりもわずかに不透明です。高度は約 500 キロメートル、彩層を通って最低温度帯(約 4,000 ケルビン) まで広がります。太陽光はほぼ黒体の電磁スペクトルを持ち (これにより、その (平均) 温度は 5,770 K、つまり 5,500 °C であると推定できます)、光球に張り出した薄い層から来るいくつかのバンドが点在しています。光球の粒子密度は約 1×10 ²³ m ^-3で、これは海面における地球大気の粒子密度の約 1% です。 18番目の<sup c

太陽における光球の最初の分光分析 – 定義