常田佐久 (宇宙科学研究所)

「ひので」の観測結果は宇宙磁場について

何を語るか?

1

2014年11月13-14日11：30～12：10 日本SKAサイエンス会議「宇宙磁場」２０１４（第３回）

国立天文台

Importance of polar fields to predict future solar activity

2

N

S

N

S

N

S

Cause Weak polar field

Result Less number of sunspots

2

130 rotations in 11 year

▽Ω-dynamo

Reversal of high-latitude (>55 deg) field Sunspot number

1.0

0.0

-1.0 North

South

Average high-latitude field Wilcox

西暦

西暦 Polar fields reverses at around solar maximum 3

Joy’s law and reversal of poloidal field

N

N

S

S

Diffusion Meridional flow

Tilt of sunspot pair due to Colioris force Results in reversal

Polar observations from ground

N55 degree

S55 degree

Polar field= single pixel observations above latitude of 55 degree.

SOHO

5

W：plus B：minus

Hinode observations of polar regions

Launch of Hinode

September March

Sunspot number

西暦

6

7

8

北極

南極

2012 2013

2012 2013

9

07 12/01 12/09

13/09

Current understanding

Hinode result

Polar magnetic fields

Extended weak fields (lower energy state)

Sunspot-like kG patches (higher energy state)

Polar field reversal

Reverses at around solar max. (2013 May)

North reverses at around 2012 May South stable

Poloidal fields

Bipolar Quadruple

Summary of Hinode observations

10

Quadruple poloidal fields

Quadruple Bipolar 11

12

N

S

N

N Bipolar mode Quadruple mode

Bipolar + Quadruple

Anti-Joy’s law due to quadruple poloidal field

N N

N S

N S

Bipolar Sun Quadruple Sun

Anti-Joy’s law AR#11429 signature of quadruple poloidal field?

14

N

N

S

S

N S

X, jp,E1

Y, B1

v1

( ){ }tkzi w-exp

アルベン波 磁気張力が復元力

15

君はアルベン波動が見えるか？ Okamoto+08 in Science journal

16

ひので

Courtesy of Okamoto

これなら見えるでしょう。。。

プロミネンス(コロナ）中の 直線偏波した横波（アルベン波）

Alfven wave

Magnetic fields

gas

Courtesy of Okamoto

しかし、 進行波か定在波かは分からない

ひので

地球物理の「その場観測」のように 太陽表面の波動を観測する！

磁場の大きさ

Stokes-I 測光強度

Stokes-V

波動のモード 波の進行方向 進行波か定在波か？ 磁束管のサイスモロジー

波動の検出に必要な観測量: δInteisnty(t) δB / / (t), δB┴(t) δVLOS(t) center-to-limb 変化

ドップラー速度

18

ひので：磁場・速度場の位相関係から アルベン波を同定＠光球 Fujimura&Tsuneta09

実線：正極磁場 破線：負極磁場

横波はほとんど反射 していることが判明

キンク波 ソーセージ波 19

ひので

コロナに漏れ出るエネルギーフラックス 上向きフラックスー下向きフラックスは、cos(φB – φv)に比例

一例として (dI/I=0.3%) f=0.73, B0=1.7x103 (G), δB＝21(G), δv=0.059(km/ s), φB－φv=－96˚ を代入すると ΔF=2.7x106 (erg/ s/ cm2) ～数％～１０％程度がリーク

f : 平均フィリング ファクター B0 : 磁場強度、 δB/ δv: rms横磁場・速度場の揺らぎ

)cos(4 vBvBfBF ffdd

p--=D

Fujimura&Tsuneta 09

21 対流

層か

ら湧

き上

がる

磁場

磁

場の

強さ

は比

較的

弱い

（e

qui-p

artit

ion程

度）

ひので

22

自然界はフラックス チューブを好む？

ひので

1.4 GHz

VLA 銀河中心 太陽

23

Courtesy of Sofue

NASA TRACE

太陽黒点がないと太陽は暗い

24

太陽定数

黒点数

25 ＣａＩＩ ３９3４Ａ From website

26

太陽定数の変動は偉大なる磁気圧の効果 黒点 暗い（対流の抑圧） ファキュラ 明るい 合計 白斑が勝っている

B

τ～１ 等温度線

B

黒点の磁束管 ファキュラの磁束管

磁気圧の効果により 太陽表面はリアス式 海岸のよう⇒太陽の 表面積の増大 Spruit

サイズ0.1-0.2秒角の基本磁束管 • Equipartiiton-B

より強いｋＧ磁場 • 主に対流セルの

間に存在 • 太陽全面に存在

27

ひので

Courtesy of Okamoto

28

300 MHz

強磁場～mG：ガスとのローカルな速度分散ではequi- partitionが成り立たない。ガスの銀河回転(100-200 km/s)の回転運動エネルギー密度とequipartition 円盤厚より大きいスケールハイト

銀河中心：円盤に垂直な磁場

Courtesy of Sofue

宇宙における強すぎる磁場問題 宇宙はどのようにしてsuper-equipartition磁場を作るのか?

• 初期宇宙 10(-21) G? • 銀河団 10(-6～-5) G • 銀河中心 10(-3～-2) G • 太陽 10(3) G • 太陽の内部 10(5) G? • 中性子星 10(12) G • マグネター 10(15) G

Ωダイナモでは不足

Ωダイナモでは不足

ダイナモが必要？

圧縮と化石磁場?

needs dynamo Compression and fossil

どのようなダイナモも磁場をequi-partition field Beまで増幅 できるだろう： さらに、equi-partition field Beを超える磁場が存在 例 Sunspot: equi-partition field=500G, B=2-3kG Tachocline: equi-partition field=1kG, B=100kG

運動 エネルギー

磁場 エネルギー

22

21

8r u

p»eB

29

Total

Ishikawa+08

静穏太陽の磁場強度の分布関数

1.5kG近傍にピーク Super-equipartition

90%が500G以下 Sub-equipartition

Sub-equipartition とSuper-equipartition ２つの成分あり

30

ひので

31

Sub-equipartition磁場 500G

Super-equipartition磁場 2000G 200秒

sub equipartition磁場からsuper equi-partition磁場が生成 パーカー予言：熱不安定性による下降流に伴い磁場の圧縮が発生(ダイナモではない）をひのでで確認

Nagata+08

対流と弱い磁場があれば強い磁場ができる という割と普遍的なプロセス

Parker (1978); Hasan (1985), Hasan et al. (2003), Bunte, Hasan,Kalkofen, (1983)

G400421

82

2

»»

»

up r

r upB

Be

kG218

2

-»

=+

B

PBP ei p

Magnetic Flux tube

Solar surface

Granular flow

Downflow Inside flux tube

32

32

Sub-equipartition磁場 Super-equipartition磁場

磁場による対流 熱入力の遮断

冷却と下降流 の発生

圧力平衡に より磁場が強まる

Ishikawa+08

対流崩壊が1.5kGの磁束管を生成 （これはダイナモでない）

1.5kGのピークは 熱的不安定性により 生成（ダイナモでない）

500G以下の90% の生まれたばかり? の成分（石川講演参照）

対流崩壊プロセス!! 500G 1.5kG 全エネルギー小 全エネルギー大

250000km

120000km

Courtesy of Ishikawa

ひので：対流駆動水平磁場の発見 宇宙に乱対流があればequipartition磁場が存在。。

直線偏光マップ（連続光マップに重ねて表示） ひので

ステップ１：磁場の増幅

35

0gb1

-

ad�-�”dtyadiabatici-super

Convection zone Radiative core

tachocline

B=0

B≠0

安定 不安定

不安定 安定

磁場が強く なると境界 が移動する Spruit, van Ballegooijen

Stability of toroidal flux tubes in stars A&A, 1982, 106, 58

ステップ２：磁場の不安定化

36

0gb1

-

ad�-�”dtyadiabatici-super

Convection zone Radiative core

tachocline

B=0

B≠0

安定 不安定

不安定 安定

磁場が強く なると境界 が移動する Spruit, van Ballegooijen

Stability of toroidal flux tubes in stars A&A, 1982, 106, 58

Fully convective な星では？

)(1situationbuoyancy neutralfor

condition y Instabilit

v

pad C

C=->�-� g

gb

37

KM晩期型星： 全域が対流層 でもコロナがある！

早期型星： 対流層がないと コロナもない

林トラック・原始星： 完全に対流優勢 活発なコロナ活動

GDの標準的考え方と 整合しない？でもLD がある。。

差動回転（大局的ダイナモ）と 対流（乱流ダイナモ）どちらが大事？自明でない。。

Tタウリ型星： 対流が発達 早い自転周期 黒点、星風 強いＸ線 ⇒乱流ダイナモ

対流 ⇒＋回転⇒Reynolds応力 ⇒差動回転⇒大局的ダイナモ

Takeda & Takada-Hidai, PASJ (2011)

超金属欠乏星 (古くほとんど自転していない=グローバルダイナモがない)にUV放射が必須のHeI 1083nmの吸収線

⇒ 金属欠乏性に彩層・コロ

ナの兆候 ⇒ 自転によらない水平磁場

のような乱流駆動(ローカルダイナモ)の磁場が彩層・コロナ加熱に寄与？

宇宙は電離しておらず 電流なしのため磁場 ゼロ

第1世代銀河の形成 と宇宙の再電離

B=1μG

B=0G

proto-galaxyの乱流渦による ゼロからの磁場形成10^-20G （Biermann Battery） ↓ グローバル銀河ダイナモ10^-6G

39

40

初期宇宙　　　現在

磁力線の凍結原理

0)0(0)0(

0

==F�==F

=F

ttDtD

どうやって磁場を作るか？

)()(,0;0

)(

)(

;)0(

2

2

ttBBt

BeMc

epcv

t

venpncBv

tB

jenp

cBvE

e

e

ww

w

rrww

w

�===

=-

�·�+··�=

¶¶

·�=

�·�-··�=

¶¶

=�

-=·

+

じ；式が同じなら解も同

；渦度の誘導方程式

；渦度の定義

；誘導方程式

運動方程式み

なれ

ない

基礎

方程

式？

同

じ方

程式

と初

期条

件⇒

同じ

解

41

再電離後の初期宇宙の 磁場の大きさ

• If baroclinic⇒Vorticity⇒Biermann battery term – Bの発生

• r=100kpc、M=10^11Mo – v=3x10^5 m/s(ビリアル定理） – ω～v/r=10^-16 /s – B～10^-20G

42

「ひので」水平磁場の発見

• を一般化して良いなら。。。。 • 宇宙に乱流状態があれば、局所的なダイナ

モにより、equi-partition までの強い磁場を作る（ただし初期磁場がゼロでない場合）

43

ローカルダイナモによる 宇宙磁場の生成

• Equi-partition field due to local dynamo OK! – n=10^-3 cm^-3 – v=3x10^5 m/s – T=100eV (10^6K)

• Maximum turnover time OK! – r/v=3x10^23cm/3x10^7cm/s=10^16s<<4x10^17s

（宇宙年齢） – 最大セルサイズをとったので実際はもっと短い

G!10288

6

2

-·==

=

nkTB

nkTB

pp

44

宇宙は電離しておらず 電流なしのため磁場 ゼロ

第1世代銀河の形成 と宇宙の再電離

B=1μG

B=0G

45 From website

宇宙は電離しておらず 電流なしのため磁場 ゼロ

第1世代銀河の形成 と宇宙の再電離

B=1μG

B=0G

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proto-galaxyの乱流渦によるゼロからの磁場形成B=10^-21G（Biermann Battery） ↓ 「ひので」水平磁場機構によるローカルダイナモ B=Beq=10^-6G ↓ グローバル銀河ダイナモ B>10^-6G

From website

47

銀河の大局的磁場 は渦巻きに沿っている

磁場はガスとのローカルな速度分散に対してequipartition程度

Umag=B2/8π=U(ISM) B=10μG

Courtesy of Sofue

「ひので」の観測結果は宇宙磁場について何を語るか?

• 乱流磁場増幅の発見 • super equi-partition磁場生成 • アルベン波の発見 • 極磁場の初観測

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