地球流体電脳倶楽部

天体電磁流体現象 - 太陽フレア, 降着円盤, 宇宙ジェット

柴田一成 2000 年 8 月 23 日

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記録ノート(by 奥山尚範, 小高正嗣)へ

はじめに
- スケールは違えど同じような物理でもって似たようなパターンが観測される現象
  フレア現象 : 太陽-マイクロフレア-恒星-原始星
  宇宙ジェット - 原始星ジェット
- フレア, ジェットも同じ MHD のメカニズムで説明できる.
太陽フレア
降着円盤と宇宙ジェット

参考文献

Plasma Astrophysics, Addison-Wesley
活動する宇宙 -- 天体活動現象の物理

はじめに

現代天文学歴史の流れ
- 19 世紀 : 永遠不変
- 20 世紀前半 : 進化する宇宙, 電波, X 線, 赤外線による観測
- 20 世紀前半 : 活動する宇宙
星は進化する (画像は HST; NASA, HST; NASA, CHANDIZE; NASA)
- 形成 : 星間雲 -> 主系列星
- 進化 : 白色矮星
- 死 : 惑星状星雲 -> 白色矮星
  超新星爆発 -> ブラックホール, 中性子星
- ハッブルによる可視画像
  星間雲, 惑星状星雲
- 左下 : X 線による画像(かに星雲)
  スケール 0.1 光年
  中心に中性子星
  回転のエネルギーで X 線を放出
cf. 主系列星 : HR 図(横軸表面温度, 縦軸星の明るさ)状に見られるほとんどの星が入る範疇
活動銀河核の発見 --- 宇宙最大の爆発 (ノート)

地道な可視光観測. ハッブルはダメ押しの証拠
クエーサー (画像は NOAO)

一見星のように明るいけど, 実は遠くにある銀河
- 莫大なエネルギー発生率 10^39 W
- 全解放エネルギー 10^55 J cf. 太陽 10^33 erg 銀河 10^11 erg 活動銀河核 10^48 erg
- cf. 歴史的にはクエーサーだけ, その周囲に銀河が存在することがのちに分かった.
- cf. 遠くにあるのは若い銀河, 近くにあるのは年とった銀河
- cf. スペクトルが星と違う. 輝線をドップラー・シフトで説明すると, とっても速い(光の 99 % 程度). 遠くにあることが分かった. しかも明るいので放出エネルギーが莫大.
- Q. 銀河は全て同じ時期(宇宙形成時)にできた?
  A. 原理的にはまた別にできてもいいけど, そういうものはない. 多分銀河が初期にできると, 材料がなくなっているので.
電波銀河(画像は VLA; NASA)
中心に(楕円)銀河. 吹き出すジェット.
見えているパターンはジェットの衝撃波の部分か?
スケール 30 万光年. 中心の銀河はもっと小さい
シンクロトロン放射 : 磁場中での光エネルギー電子が回転している
cf. 原始星ジェット (画像は HST; NASA) (ノート)
- 可視光観測. 見えているパターンはジェットの衝撃波の部分
- 全体 1 光年
- スケールが違うけど電波銀河とそっくりのパターン.
- 流体力学の相似則? 中心に重力とジェットのソース
太陽フレア/ジェット (画像は京大飛騨天文台) (ノート)

-- 良く似たジェット現象は太陽にも存在.
さまざまな現象のエネルギー
私の青春の夢

メインは活動銀河核
身近な太陽面フレア, 天体フレア・宇宙ジェットにヒントをもらう

太陽フレア(太陽面爆発)

太陽フレアの観測事実
- 太陽フレア(太陽面爆発) (画像は京大飛騨天文台)
  - 可視光で発見. フレア出現後, オーロラが発生したが当初は関係づけることに慎重であったらしい.
  - Hα単色光による観測
  - ムービー (飛騨天文台の昔の 16mm より).
    フレアーが広がっていく様子が見られる.
    50 分のものを圧縮
    見ている領域は ...?
  - フレアーの出現予測は地震より簡単(?).
    黒点が多い時期. 1 週間以内に出るくらいは予測可能.
- 太陽フレアから放出される電磁波 (Svestka Z., 1976, "Solor Flares", Reidel.)
  
  あらゆる電磁波が放出される.
  軟 X 線, 硬 X 線
- フレアから発生する衝撃波
  
  ムービー. 右側はドップラーシフトの解析. クリアーに伝播が見える.
- 太陽フレアの正体は?
  
  磁気エネルギーの解放, 磁気リコネクション
- 太陽フレアの謎
  - 磁気拡散は効かない. 散逸しないはず.
    磁気拡散時間 >> フレア発生時間
  - しかしエネルギーは解放(変換)されている. なぜ?
理論的なメカニズムの説明 : 磁気リコネクション
- 磁気リコネクション説その 1 (Sweet - Parker 1957)
  (Parker E. N., 1957, J. Geophys. Res., 62, 509; Sweet, P. A., in Electromagnetic Phenomena in Cosmic Physics, IAU Symp., No. 6, p123)
  (ノート)
  
  1 次元問題を考えると...
  - 基本場の磁場は勾配を持つ
  - 何もしないと diffusion で崩れる. これはとっても時間がかかる.
  - 流れを考えると, 横に逃げる流れができる. それは磁力線を押しつけて勾配を維持しようとする.
  - B^2/8\pi -> p -> 1/2 \roh v^2
- 磁気リコネクション説その 2
  (Petschek, H. E., 1964, in Proc. AAS-NASA Symposium on Physics of Solor Flares, NASA SP-50, p425)
  (ノート)
  - 電磁流体波を発生させる.
  - 拡散領域が小さすぎる?. 0.1mm
  - 小さい領域でのエネルギー解放がフレア全体のエネルギーを担うとは考えにくい.
  - cf. なぜ 0.1mm?
  - cf. リコネクションってそんなに大変なことなの?
    - 真空中のリコネクション
      -- 電流が流れない. いくらでも起きる. 簡単
    - プラズマ中のリコネクション
      -- 逆向きの磁力線の間に電流が生じる. これがつなぎかえを妨げる.
- 磁気リコネクションモデル (画像は「活動する宇宙」, 柴田, 福江, 松元, 嶺重, 1999, 裳華房)
  - 次のようなプロミネンス観測を元にした現象論的モデル
  - パターンに 2 つのペア. NS に対応.
  - ねじれ構造の磁力線(プロミネンスを囲む奴)
- プロミネンス(フィレアメント)噴出 (HAO; High Altitude Observatory/USA)
  - 同じようなパターン
  - 螺旋構造は電流にまとわりつく磁力線に対応
  - ムービー
    cf. 端にあるのがプロミネンス. 中にあるのはフィラメント.
- 磁気リコネクションモデル・3 次元構造 (画像は「活動する宇宙」, 柴田, 福江, 松元, 嶺重, 1999, 裳華房)
  
  磁場はネジネジ. ゴムひものねじれのような磁力線構造
- 太陽 X 線観測衛星「ようこう」 (画像はようこう; ISAS)
  - メーカー保証期間(2年間)をはるかに越えて, なんとまだ稼働中.
  - ムービー : 赤道付近にフィラメント放出が多い. 赤道にはない.
太陽フレアの MHD シミュレーション
- 太陽フレアの正体
  - X 線による観測. カスプ状のパターン.
  - 現象論的モデルと対応.
  ではその物理は?
- フレアにともなうプラズモイド噴出
  (画像はようこう; ISAS)
- 軟 X 線で見たフィラメント噴出とアーケード形成
  (画像はようこう; ISAS)
  
  ムービー
- コロナ質量放出(CME)
  (画像は SOHO; ESA, NASA)
  - ムービー
  - 人工衛星(SOHO)での人工日食による可視光観測. 1 ヵ月間の観測
  - 磁場のループにトラップされた高温プラズマが放出される.
  - 下の方で動いているのは星
  cf. 言葉の整理(ノート)
  - フレア : 10^7 K 非定常
  - コロナ : 10^6 K 定常(?) 小さなフレアの集合体かも
  - プロミネンス : 10^4 K 定常
- フレア/CME の 2 次元 MHD のシミュレーション (Chen and Shibata, 2000)
  (ノート1, 2)
  - ムービー
  - コンター : 磁力線, 色 : 温度, 矢印 : 速度場
  - 初期条件 : 定常状態. 下からループ状の磁場擾乱をいれる.
    磁場だけでバランス. force-free field.
    下端表面は導体
  - 重力なし
  - 一様でない電気抵抗. 電流に依存する. -> Petsheck モデル
    電流がとある値を越えると抵抗が発生する.
    一様抵抗だと速くならない.
- 太陽コロナにもジェット発見 (画像はようこう; ISAS)
- 太陽ジェットの磁気リコネクションモデル : 温度分布 (Yokoyama T. and Shibata K., 1995, Nature, 375, 42)
  - ムービー (オリジナルはこちらへ)
  - コンター : 磁力線, 矢印 : 速度場
  - 下部から Parker 不安定で磁力線が浮き上がって来る.
  - 上部でリコネクションが発生する.
- 太陽ジェットの磁気リコネクションモデル : 密度分布 (Yokoyama T. and Shibata K., 1995, Nature, 375, 42)
  - ムービー (オリジナルはこちらへ)
  - ジェットに伴って下部の高密度物質が持ち上がっている.
- フレアの発生頻度
  
  統計からの結果 : フレアもマイクロフレアも同じ分布. 地震の発生分布と良く似ている
- フレア観測のまとめ
  - アルフベン時間スケールで見ると大フレアも小フレアも同じ -> 働いているメカニズムは一緒. Petsheck モデルに整合的
  - mass ejection は違う?
    大きいフレアは固まりで放出.
    小さいフレアはジェット型で放出.
- フレア・ジェットの統一モデル (画像は「活動する宇宙」, p71, 柴田, 福江, 松元, 嶺重, 1999, 裳華房)
  (ノート)
  - 大フレア : プラズモイドを囲む磁場が強い.
  - 小フレア : プラズモイドを囲む磁場が弱く, もともとの周囲の一様磁場に埋め込まれている
  - (c) -> (d) プラズモイド右側でリコネクション
    ジェット放出に伴い, 螺旋がほどける向きの流れができる
- ヘリカル・フィラメントの放出 (画像は京大飛騨天文台)
  - 左下の暗い部分
  - 上側にジェットが放出
- 回転 Hα ジェット (画像は京大飛騨天文台)
  
  対応した解析, 螺旋がほどける向きに流れができる.
- 残された謎
太陽フレアから他の星のフレアまで
- 恒星フレア(αケンタウリ)
  (Reale F., et al., 1988, Astrophysical Journal, 328, 256)
  - おとなりの恒星でもフレアがある?
  - 明るさの時間変化が太陽フレアにそっくり
  - 他の星でもあるだろうが, いつおこるか分からないので長時間一つの星を観測することが難しい.
- 原始星フレア (画像はあすか; ISAS, ASCA; NASA)
  生まれたての星もフレアを放出.
- 原始星フレアの特徴
- 原始星フレアは磁気リコネクション説で説明できるか?
  
  Emission Measure n^2 L^3 (2 体衝突による X 線放出の程度) と温度の関係.
  (Shibata K. and Yokoyama T., 1999, Astrophysical Journal Lett., 526, Nov. 20, issue)
  太陽フレア +マイクロフレア +恒星フレア
- フレアの温度は何で決まっているか
- フレアの Emission Measure
- Emission Measure と温度の関係のグラフ
  (Shibata K. and Yokoyama T., 1999, Astrophysical Journal Lett., 526, Nov. 20, issue)
  磁場一定の線を加えた場合
  
   空間スケール一定の線を加えた場合
  - 理論的な線を引くと結構あう.
  - 星の表面の圧力があんまりかわらないことの反映?
- 太陽フレア, 恒星フレア, 原始星フレアのポンチ絵
  - 太陽, 恒星, 原始星フレアの違い
    -> 表面積に対する黒点の占める割合(filling factor)
    -> 結局磁場の強度で説明すべきか. ダイナモを考えるべし.
- おまけ. A 型星
  - HR 図での主系列
    - 左上は表面に対流層がない.
    - 右下はは表面に対流層がある.
    - その間が A 型星.
  - そもそもねじれ構造はどのように作られている?
    いろいろな説 :
    - ダイナモ過程でそもそもヘリカル構造がどんどん作られる.
    - 磁場がねじれてなくても流れでねじれてしまう.

降着円盤と宇宙ジェット

宇宙ジェットとその周辺の観測事実
- 宇宙ジェット (画像はこちら)
  (ノート)
- 活動銀河核ジェット (画像はいずれも HST; NASA, 1, 2, 3 )
  - ジェットにノットが見える.
  - スケールの小さいところから大きいところまでまっすぐに延びている.
- クエーサーの時間変動 (オリジナル画像はこちら)
- 活動銀河核(クエーサー)ジェットの超高速運動 (オリジナル画像はこちら)
- 活動銀河核ジェットの根元に降着円盤 (画像は HST; NASA)
- 活動銀河核の正体は何か?
- 活動銀河核に超巨大ブラックホールの証拠 (画像は国立天文台)
  - 速度分布と干渉系による場所の同定
  - ケプラー法則に従う
  - 中心部分の質量が太陽の 1000 倍!
- Probing black holes in AGN with ASCA (画像は ASCA; NASA)
  - 本当にブラックホールか?
  - X 線のエネルギースペクトル, 広がりはなぜ? -> 重力によるスペクトルの歪みで説明できる.
  - ブラックホールであることの間接的な証拠
- 原始星ジェットと降着円盤 (画像は HST; NASA)
  (ノート)
  - スケール違えど同じ話か.
  - 下の図. 高解像度だと螺旋構造が見ようと思えば見える.
- 原始星ジェットの運動 (画像は HST; NASA)
  - 横方向の運動を画像で読みとる. これとドップラー速度を組み合わせて 3 次元的速度場が推定できる.
- 近接連星系ジェットの想像図 (オリジナル画像はこちら)
- SS433 ジェット (オリジナル画像はこちら)
  - 螺旋状構造を外向き速度+回転(precession)で線を引くとパターンが結構一致する.
- SS433 ジェット(X線/あすか)
- 近接連星系ジェットの超高速運動(マイクロクエーサー) (GRS1915n105.gif)
- 宇宙ジェットの特徴(まとめ)
  - 活動銀河核, 近接連星系, 原始星
  - サイズ, 速度は異なるが, ジェットの速度が脱出速度と同程度
降着円盤～宇宙ジェットに伴う現象
- 宇宙ジェットはいかにして発生したのか?
  
  重力エネルギー(内向きに落ちる) -> 外向きの運動に伴う運動エネルギー
- 降着円盤の謎
  - 角運動量を捨てないと中へ落ちれない.
  - 角運動量を捨てることは難しい. 現象論的モデルでは成功してはいる.
- α粘性の起源がついに解明された!
- 磁気回転不安定性
  (Tajima T. and Shibata K., 1997, in Plasma Astrophysics, Addison Wesley)
  (ノート)
  
  磁場が角運動量に対する拡散として働く -> 復元力である
- 磁気回転不安定性 : 局所線形解析
  - その 1
  - その 2 : 磁場がない -> Rayleigh's criterion
  - その 3 : 磁場が存在すると, 不安定のための必要条件は「速度分布が外側ほど遅い」.
  - その 4 : 分散関係
- 磁気回転不安定性 2D 局所シミュレーション (横山央明氏より)
  - ムービー
  - ポロイダル磁場
- 磁気回転不安定性 3D 局所シミュレーションその1
  (Matumoto R. and Tajima T., 1995, Astrophysical Journal, 445, 767)
  
  トロイダル磁場
- 磁気回転不安定性 3D 局所シミュレーションその 2
  (Matumoto R. and Tajima T., 1995, Astrophysical Journal, 445, 767)
  - 乱流によるストレス : 磁場の方が強い
  - 初期値によらず磁場が強くなる. まさにダイナモ.
- 降着円盤の活動性の起源 : パーカー不安定 (ノート1, 2)
  
  持ち上げると磁力線にそって物が落ちる -> 持ち上げたところが軽くなる.
- パーカー不安定 : 成長率
  (Shibata K., et al., 1989, Astrophysical Journal, 338, 471/ Astrophysical Journal, 345, 584)
宇宙ジェット
- 宇宙ジェットの謎
  - ジェットの向きはなぜ変わらない?
  - 加速メカニズム
  - ジェットはなぜ細長いか
- 宇宙ジェットの MHD モデル -- 太陽フレア・ジェットからのアイデア
- 宇宙ジェットの MHD モデル
- 宇宙ジェットのコンピュータ・シミュレーション (Shibata K. and Uchida Y., 1986, PASJ, 38, 631/PASJ, 42, 39)
  - 磁場のねじれが角運動量を落す -> 内側へ落ち込む流れ : 回転磁気流体不安定
  - 磁場がねじられて強まる -> 磁気圧力 -> 加速
  - 磁場にそった螺旋運動 -> 磁場がねじられていく
  - リコネクションはしていない.
- MHD ジェットの速度 (ノート)
- 宇宙ジェットの電磁流体モデル(工藤, 松元, 柴田 2000)
  - ムービー
  - 計算は CIP 法
  - 衝撃波とジェット形成が同時に計算
- 宇宙ジェットの 3D MHD モデル(松元ら)
  - グローバルに磁場がある場合
  - ムービー : 密度分布, 温度分布
- ヘリカル原始星ジェット (画像は HST; NASA)
  
  螺旋が見える?
- 原始星フレアとジェットのモデル (林, 松元, 柴田 1996; 画像は国立天文台)
  - ムービー
  - 星が初期にダイポール磁場を持っている場合
  - リコネクションによって激しい外向きジェットが生じる
- 原始星フレアの 2D MHD モデル (林, 松元, 柴田 1996; 画像は国立天文台)
  
  ムービー
- 原始星フレア/ジェットの MHD モデル
  (Hayashi M.R., et al., 1996, Astrophysical Journal, 468, L37)
- 残された謎 : 降着円盤と宇宙ジェット
  - ローレンツ因子 = 1/√(1-(v/c)^2)
  - 降着円盤のダイナモでもジェットに都合がいいものができるか?
  - 原始星の場合は中のダイナモで作られていると考えるのが自然.
まとめ
- 結び
- γ線バースト (オリジナル画像はこちら) (ノート)
  - 20 秒ぐらいでγ線強度が増加する現象.
  - 発生頻度空間分布は天球面上で全くランダム -> 我々の銀河外の現象
  - 最近ようやく発生場所が分かって来た.
  - 正体は謎. binary neutron stars? 超新星? 電磁ジェット?
- 太陽風分布(ノート)