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２００４．１．２１ 新潟大学集中講義 プラズマ物理学 ー天体電磁流体力学入門 ダイナモ、磁気浮力、リコネクション、 宇宙ジェットと降着円盤 電磁流体波（Alfven, fast, slow) k VA cos 2 0 2 2 2 (Cs VA )k 4Cs VA k 4 cos 2 0 4 2 2 Group velocity diagram 2 2 vg / k 2 2 田島俊樹（Tajima)博士 （１９８７－９７当時、テキサス大教授、 現在、原研関西研究所所長） ダイナモ 太陽黒点 • 太陽は全くありふれ た普通の恒星（Ｇ型 主系列星） • 半径： ７０万ｋｍ • 質量： （地球の約１００倍） ２×１０３０ｋｇ （地球の約３０万倍） • 表面温度： ６０００度 • 黒点はすべての太陽 活動の源 黒点 黒点の正体＝巨大な磁石 太陽 黒点 ２００３年１月５日の太陽 白色光（SOHO/MDI) 磁場分布（SOHO/MDI) （マグネトグラム） http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/realtime-images.html 11 year sunspot cycle Butterfly diagram - latitudinal drift of sunspot formation positions Dynamo wave latitude year Dynamo Wave (Parker 1955) How are magnetic fields created ? ωeffect B p Bt αeffect Bt B p http://www-solar.mcs.st-andrews.ac.uk/~eric/ by cyclonic fluid motion (Parker 1955) Historical Background (contd.) • But, In 1980’s, helioseismic analysis inferred that there is no radial shear in the convection zone, and the strong radial shear at or below the base of the convection zone is decreasing inward at sunspot latitudes. (Courtesy: Thierry Corbard) Therefore, Convection Zone Dynamos Do Not Work With Solar-like Ω 磁気浮力とパーカー不安定性 磁気浮力 magnetic buoyancy Magnetic buoyancy (Parker 1955) • Isolated magnetic flux tube embedded in a plasma suffers from buoyancy due to magnetic field, called magnetic buoyancy 2 B g ( e i ) g 8H 2 B pi pe 8 p 2nkT kT H mg Pressure scale height Parker (1955) suggested that sunspots are formed by emergence of flux tube as a result of magnetic buoyancy sunspot Magnetic buoyancy 黒点と浮上磁場(Emerging Flux) 約30時間後 光球の黒点の画像 H-alpha line center EFR observed by Hα 30,000 km In the chromosphere, EFRs are seen as arch filament systems (Bruzek 1967, 1969). 30,000 km – Size ～ 30,000 km – Width ～ 20,000km – Life time ～ 3 days From Chou & Zirin 1988 – Rise Velocity ～ 10-20 Solar emerging flux due to Parker instability (Shibata et al. 1989, 1990) 太陽ジェットの磁気リコネクション・ モデル（Yokoyama and Shibata 1995 Nature 375, 42) 温度分布： 斜め磁場の場合 浮上磁場の観測 （EUV, with TRACE) Parker instability (Parker 1966) Instability occurs if magnetic buoyancy becomes larger than Restoring magnetic tension Typical wavelength : time scale : c 2H 0.6kpc Parker 3H / VA 3 107 yr Explains formation of large scale interstellar cloud Nonlinear evolution of Paker Instability (Matsumoto, Shibata et al 1989) Nonlinear evolution of Paker Instability (Matsumoto, Shibata et al 1989) Nonlinear evolution of Paker Instability (Matsumoto, Shibata et al 1989) Nonlinear evolution of Paker Instability (Matsumoto, Shibata et al 1989) Molecular cloud distribution in our Galaxy 磁気リコネクション Ｈα 太陽フレアとは 彩層 １万度 １９世紀中頃発見 黒点近傍で発生＝＞ 磁気エネルギーが源 サイズ～（１－１０）万ｋｍ 全エネルギー 1029 - 1032erg （水爆１０万ー１億個） 京大飛騨天文台 Aurora seen outside the Earth By Image satellite 磁気リコネクション (magnetic reconnection)とは？ 磁力線 「磁力線つなぎかえ」、 「磁力線再結合」 とも呼ばれる 磁気リコネクション http://www-solar.mcs.st-andrews.ac.uk/~eric/ 現象論的 磁気リコネクションモデル （Carmichael 1964, Sturrock 1966, Hirayama 1974,Kopp-Pneuman 1976) 観測からのヒント： プロミネンス噴出 フレアにともなうことが多い 現象論的リコネクショ ン・モデル 史上最大のプロミネンス噴出（１９４５年６月２８日、HAO) 現象論的 磁気リコネクション・モデル （３次元構造） 地球・惑星磁気圏における リコネクション 地球磁気圏 なぜ磁気リコネクション？ • フレアのエネルギー源は、コロナ中に蓄えら れた磁気（電流）エネルギーである • コロナでは磁気（電流）エネルギーを電熱器 のようなジュール熱で解放するのは容易では ない • この困難を克服するために「磁気力によるプ ラズマ加速でもってエネルギー解放する」リコ ネクション説が提唱された 太陽フレアの謎 単純なジュール散逸では フレアを説明できない 磁気拡散時間（電流散逸時間） t D L / 10 sec 2 フレア発生時間 Ａｌｆｖｅｎ時間 磁気レイノルズ数 14 t flare 10 10 sec 2 3 t A L / VA 10 sec Rm t D / t A 1 Ｓｗｅｅｔ－Ｐａｒｋｅｒ モデル（１９５７） ジュール散逸より格段に速くなったが、 まだフレアを説明するには、おそい t tAR 1/ 2 m Petschek モデル(1964) 速い、しかし、拡散領域があまりにも小さい t t A (8 / ) log Rm Parker Petschek 「ようこう」が見たフレア 軟Ｘ線(~1keV) 磁気リコネク ション 長寿命フレア (SXT, ～１keV、 Tsuneta et al. 1992 ） electron temperature ～１０＾７ Ｋ、 electron density～１０＾（１０）ｃｍ＾（－３） Plasmoid ejection associated with LDE flare (Yohkoh/SXT) Plasmoid speed is about ３００ｋｍ／ｓ TRACEの見たフレア （極紫外線：１００万度） 未来の太陽旅行 （ソーラープローブ） （ようこう軟Ｘ線ムービーを編集したもの） 宇宙ジェットと降着円盤 宇宙ジェット • 最初に発見された 宇宙ジェット （１９１７） • 楕円銀河Ｍ８７（電 波銀河）の中心核 から噴出 • 活動銀河核ジェット の一種 活動銀河核ジェット （電波銀河：Ｍ８７） • 二つ目玉電波源 のエネルギー源 はジェット • １光年以下のス ケールから数１０ 万年光年の大き なスケールまで 同じ方向にジェッ トが出ている 活動銀河核ジェットの根元に 降着円盤！ 活動銀河核の正体は何か？ １．宇宙で最大級のエネルギー解放 ＝＞大量の物質の静止エネルギー の何割かを変換する必要あり ２．短時間の時間変動＝＞サイズは小 ３．ジェットの速度は相対論的（光速に近い） その正体は 超巨大ブラックホール（？）と その周りを回る降着円盤 活動銀河核に 超巨大ブラックホールの証拠 野辺山宇宙電 波観測所の 電波天文学 者（中井、井 上、三好）が 発見 （１９９５） ブラックホールと降着円盤 （コンピュータ・シミュレーション） 原始星ジェット (ＨＨ１－２ ： 長さ約１光年） （ハッブル宇宙望遠鏡：可視光観測） 電波銀河（白鳥座A） （距離＝５億光年、長さ＝３０万光年） 原始星ジェットと降着円盤 宇宙ジェットの特徴（まとめ） 活動銀河核 中心天体 ジェットの 長さ ジェットの 速度 脱出速度 近接連星系 原始星 超巨大ブラッ ブラックホー クホール ルまたは中 性子星 １００万光年 １０光年 原始星 c 0.3c - c 100km/s c 0.3c - c 100km/s １光年 宇宙ジェットは いかにして発生したのか？ • 中心に星またはブラックホール • そこにガスが降着＝＞降着円盤 • エネルギー源は重力エネルギー • 重力エネルギーをいかにしてジェットの 運動エネルギーに変換するか？ 宇宙ジェットの謎 • １光年以下から、１００万光年の大きなスケールま でジェットが同じ方向に保たれているのはなぜか？ （＝＞回転） • ジェットは、いかにして加速されるか？ • ジェットを、細長く絞っている力は何か？ • これらの謎を解くためのヒントが、 身近な太陽にある！！ 太陽フレア／ジェットの 観測・理論からのヒント • 直接のエネルギー源は磁気エネルギー（元 は核エネルギー） • プラズマは磁気力によって加速される • ヘリカル・フィラメント（磁力線）構造が普遍的 に出現 • 細長い構造は、磁気力によって容易に形成さ れる コロナはジェットだらけ！ （多くは、ヘリカル形状で回転 している） 宇宙ジェット（ハッブル） SOHO/ CDS SOHO/EIT LASCO 飛騨天文台／Ｈα 宇宙ジェットの電磁流体数値シミュレーション 降着円盤が 磁力線をねじ ることにより ヘリカル磁場 生成 磁力線 円盤 磁気力で加速 磁気張力で ジェットを細く絞 る（ピンチ） 時間変化 ジェットの速度～ケプラー速度 Shibata & Uchida (1990、 1986) First ３Ｄ ＭＨＤ simulation （Matsumoto and Shibata 1997, proc. paper） ヘリカル原始星ジェット 宇宙ジェットの電磁流体モデル （工藤、松元、柴田 ２００４） Middle Evidence Small of collimation (Kudoh et al. 2004, in prep) Large 流体力学の新しい数値解法：CIP 法 （矢部教授（現東京工大）が１９９１年に開発） 接触不連続が精度良く解ける。 気体、液体、固体が同時に解ける ジェットの磁気的加速機構の 観測的証拠？ • ジェットの回転 • ヘリカル磁場 生まれたばかりの星（原始星）から 謎の高速分子ガス流噴出 原始星から噴出 する双極分子流 （約１０ｋｍ／ｓ） （野辺山４５ｍ電波望遠鏡による：Uchida et al. 1987） 原始星ジェットの回転が検出された！ Bacciotti Numerical simulation of accretion disk (Kudoh, Matsumoto, Shibata 2002, PASJ) Magnetorotational Instability (Balbus and Hawley 1991) leads to turbulence and reconnection Similar to ADAF 降着円盤の謎 • 角運動量輸送のメカニズム？ 現象論的モデル（αモデル： 観測からα＝０．０１－０．１程度） t r p αを決める物理は？ 乱流？ 磁場？ • 降着円盤の活動性のメカニズム？ 降着衝撃波？ 磁気フレア？ α粘性の起源が ついに解明された！ • Ｂａｌｂｕｓ－Ｈａｗｌｅｙ（１９９１） ｍａｇｎｅｔｏ－ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ 「外側ほど遅く差動回転する回転電磁流体 はすべて不安定」 この不安定性の非線形段階で乱流が発生し、 磁気的ストレスが、α＝０．０１－０．１程度に なる t r p Ｍａｇｎｅｔｏ－ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ （磁気回転不安定性） • (Velikov 1959, Chandrasekhar 1961) 磁気回転不安定性 ２Ｄ局所非線形 シミュレーション Time variability of 3D magnetized accretion disk (Kawaguchi et al. 1999, Machida et al. 2000) むすび • 近年の太陽観測とコンピュータシミュレーションの発展により、 太陽フレアのエネルギー解放は磁気リコネクションによると いう説が、ほぼ確立した。原始星フレアも、磁気リコネクショ ン説が有力。ただし、リコネクションの物理は未解決。 • 宇宙ジェット現象は、太陽面爆発現象と類似の電磁流体力 学的機構によって発生しているかもしれないという説が、活 発に議論されるようになってきた。ただし、まだ未解決。 • 観測が発展するにつれ、宇宙はますます謎めいた爆発現象 に満ちていることが明らかになってきた。 例えば、ガンマ線 バースト。ただし、これもジェットらしい。 天体電磁流体力学、プラズマ宇宙物理学のより一層の 発展が望まれる。 皆さん若者達に期待！ 様々な現象のエネルギー • • • • • • 現象 エネルギー（Ｊ） 水爆（１５メガトン） ６ｘ１０１６ 地球上の全核兵器 ４ｘ１０１９ 太陽フレア １０２２ー１０２５ 原始星フレア １０２７ー１０２９ 超新星爆発 １０４４ 活動銀河核（全エネルギー） １０５３－１０５５