太陽からは、高エネルギーの粒子が飛来している
ピックアップ

bw_manami

2019/06/28

 

太陽がものを放出していることが理解されるまで

 

太陽からは、実は光ばかりでなくものも噴き出しているのではないかという仮説は、アイルランドの物理学者ジョージ・フィッツジェラルド(物理を学んだ方は、特殊相対性理論の「フィッツジェラルド―ローレンツ収縮」というのになじみがあるかもしれませんが、それを提案した人物)が1892年に最初に唱えたのを始め、何人かの研究者が指摘しています。

 

彗星の尾が太陽の反対にたなびくことはよく知られていたことから、太陽から何か飛んで来ているのではないかという、この仮説のひとつの根拠となっています。

 

ただし、これは太陽から常時噴き出している太陽風によるもので、そのことはずっと後になって分かることでした。これとは別に、磁気嵐の起源が太陽から飛んで来る物質であるという仮説を、フィッツジェラルドが唱えたのです。

 

この頃は、まだ磁気嵐の発生が太陽と関係あることが不確実だったため、この説はすぐには受け入れられませんでした。1859年のキャリントンのフレアでは、大きな黒点と磁気嵐の出現が呼応していたものの、その後の観測では、大きな黒点が現れても磁気嵐が起こらない例や、逆に黒点が見えていなくても磁気嵐が起こった例も見出されていたので、磁気嵐の太陽起源説には反対者も多かったのです。

 

しかし、イギリスの天文学者エドワード・マウンダーが1904年に、磁気嵐発生が太陽のみかけの自転周期である27日ごとに繰り返す傾向があることを示すと、太陽起源の粒子が磁気嵐を起こしているという可能性が検討されるようになりました。

 

例えばノルウェーの物理学者クリスチャン・ビルケランドは、光速の電子を用いて実験室でオーロラを再現し、実際のオーロラが太陽から飛んで来る電子によって発生しているという説を唱えました。

 

ちなみにビルケランドは、第1次世界大戦中に日本に滞在していた時に亡くなっています。

 

その後、イギリスの地球物理学者シドニー・チャップマンが、α粒子(ヘリウムの原子核)が太陽から飛んで来るという説を唱えていたのですが、同じイギリスの物理学者フレデリック・リンデマンが、電子(マイナスの電荷を持つ)もα粒子(プラスの電荷を持つ)もそれだけではだめで、地球にまで飛んで来るには両方の電荷の粒子を持つプラズマが必要であるという指摘をしています。

 

これを受けて、1930年にチャップマンは自分の学生だったヴィンチェンツォ・フェラーロとともに、太陽から放出されるプラズマ塊によって磁気嵐が発生することの理論的裏づけを与えるに至りました。

 

当時はまだ、黒点が未知の過程で何らかの粒子を放出しているらしいという理解でしたが、後に太陽面爆発が起こることでプラズマが放出され、地球に達するということが理解されるに至りました。

 

太陽から飛来する高エネルギー粒子

 

以上で見てきた磁気嵐は、太陽で発生したコロナ質量放出の後、たいてい2~3日経ってから地球に到達するプラズマが原因ですが、光に比べると、ずいぶん遅いことが分かります。遅いといっても秒速数百キロメートルという、地球上の感覚ではとんでもない速度ではあります。しかし、多くのフレアで、さらにエネルギーの高い粒子が発生することも知られていて、光に近いほどの速さで地球に飛んで来ることも珍しくありません。

 

一般に「宇宙線」と呼ばれる、地球の外から飛んで来る高エネルギーの粒子としては、銀河宇宙線がよく知られていますが、その観測の中で、いわば副産物として太陽からも高エネルギー粒子、つまり太陽宇宙線が来ていることが分かったのです。

 

たいていの場合、太陽からの高エネルギー粒子は大気圏内にまで侵入することはできず、地上でこのような粒子がとらえられる頻度は多くありません。とはいえ、逆に頻度ははるかに多いものの、観測が困難だったコロナ質量放出よりずっと早くにその存在は知られていました。

 

銀河宇宙線とは、重い星が爆発してできる超新星の残骸などから飛んで来る、太陽系外が起源の高エネルギー粒子を指します。

 

地球大気に侵入すると大気中の原子とぶつかって高エネルギーの陽子や中性子、電子などを発生させ、それら2次的な粒子が地表にまで達することがあります。厚い大気のおかげで地表に届くものはわずかで、人体に危険なことはありません。

 

銀河宇宙線は1912年に発見され、それ以降、盛んに観測されるようになりました。

 

その手法のひとつが、地表に設置した検出装置で、宇宙線の2字粒子を受けるというものです。

 

その観測の中で、アメリカの物理学者スコット・フォーブッシュは、世界各地の装置で同時に宇宙線強度が数時間の間だけ急激に上昇する現象が起こっていることを発見しました。最初は1942年2月28日で、すぐ後の3月7日にも続けて起こっていますが、これは10年間を通して3例だけという、まれな現象でした。

 

フォーブッシュは、これらが太陽面上の現象や「突発性電離層擾乱」と呼ばれる現象に対応しているのを見出し、太陽からも宇宙線が来ていると結論したのです。

 

なおフォーブッシュは、コロナ質量放出によって銀河宇宙線が地球に到達しにくくなり、宇宙線が逆に減少して見える「フォーブッシュ減少」と呼ばれる現象の発見者としての方が有名です。

 

この時の宇宙線強度の上昇は、他にも何人かの研究者が気づいていました。また、当時、日本でも宇宙線の観測は始まっていました。理化学研究所の仁科芳雄が指揮して新たに設置された宇宙線観測用の「仁科型電離箱」が稼動して間もない頃で、複数の装置で3月7日の宇宙線の急上昇が見事にとらえられています。

 

しかし、その時には太陽起源とは分からず、正体不明の信号の増加とされたままで終わりました。中にはこれは太陽からの粒子だという説を唱えた人もいたものの、結局、確証が得られなかったために認められず、太陽起源の宇宙線の発見の栄誉はフォーブッシュのものとなりました。

 

※本稿は、花岡庸一郎『太陽は地球と人類にどう影響を与えているか』(光文社新書)の内容の一部を再編集したものです。

関連記事

この記事の書籍

太陽は地球と人類にどう影響を与えているか

太陽は地球と人類にどう影響を与えているか

花岡庸一郎(はなおかよういちろう)

この記事が気に入ったら
いいね!しよう

最新情報をお届けします

Twitterで「本がすき」を

この記事の書籍

太陽は地球と人類にどう影響を与えているか

太陽は地球と人類にどう影響を与えているか

花岡庸一郎(はなおかよういちろう)

RANKINGランキング