太陽と惑星と生命と

ひので

X-ray sun in 2007

JAXA宇宙科学研究所 常田佐久

平成２８年7月30日(土) JAXA相模原キャンパス特別公開2016

1

本日のお話し

• 「ひので」の観測：黒点と磁場の働き • 太陽活動の異変：マウンダー極小期が来る？

• 地球温暖化？寒冷化？ • 文明と生命を守る惑星の磁場 • スーパーフレアの発見 • 第2の地球に生命は存在できるか？

2

太陽全面画像 黒点

3

2006年打上「ひので」衛星 日本の独創技術と国際協力

極端紫外線撮像分光装置 （EIS）

可視光・磁場望遠鏡（SOT）

Ⅹ線望遠鏡 （XRT）

0.2-0.3秒角という超高空間分解能で、太陽表面の磁場ベクトルを精密計測

約１秒角の高解像度で、コロナの構造やそのダイナミックな変動を観測

コロナの物質が出す極端紫外線を撮像・分光し、コロナ物質の密度・温度・流れの状態を診断

３望遠鏡の同時観測により、 太陽コロナ活動や加熱機構のメカニズムを探る

4

5

太陽に近づ いていくと 粒状斑（対流 の粒）が見える

6

Japan Sunspot!

太陽の黒点は強い磁石

7

黒点の磁場は千から三千ガウス 磁場の単位＝ガウス

• “ガウス”は磁場を表す単位である。1ガウスは10-4

テスラ。

北極

南極

地球にも磁石がある。磁場強度は日本で0.5ガウス 銀河系の磁場は、 １マイクロガウス！

棒磁石：2500ガウス エレキバン： 800ガウス

8

星の回転 太陽内部の乱流運動

星の磁場の起源

星の内部の 運動エネルギー

磁場 エネルギー

ダイナモ コロナ加熱 太陽フレア

リコネクション 波動

9

10

太陽内部 から湧き 上がる磁場

11

活動する彩層

12

Ｘ線で見た コロナ （温度百～ １千万度）

13

磁場に支えられるプロミネンス

14

太陽活動の異変とは？

太陽黒点の数の計測 (400年間同じ方法で）

ガリレオガリレイ (1612)

国立天文台 (1998)

現在は電子化 国立天文台太陽観測所 15

１６５０～１７００年黒点がなくなる 太陽のダイナモが停止？

凍結した テムズ川

16

太陽黒点数はおよそ11年の周期で増減を繰り返す。ただし1645～1715年の間は数が激減していた。ちょうどこの頃、地球では小氷期と呼ばれる寒冷な時期が続いた

国立天文台太陽観測所

西暦年

遅れに遅れた太陽活動の上昇 過去７サイクルの黒点数推移を重ねて表示

今サイクルだけ太陽周期が異常に長くなっている

ひので打上

赤線 今回のサイクル

黒点数

黒線：過去6サイクルを 起点をそろえて重ねて表示

17

サイクルの長さ 12.6年！

黒点数

西暦年

通常の11年サイクル

遅れに遅れた太陽活動の上昇 過去７サイクルの黒点数推移を重ねて表示

今サイクルだけ太陽周期が異常に長くなっている 国立天文台太陽観測所

18

13.2年

12.6年 9.7年

10.7年 9.9年

伸びていく黒点周期

19

??年

過去に同じくらい黒点周期 が長かったのはいつ頃か？

黒点数

西暦年

ダルトン極小期

20

太古の太陽活動の復元方法 （炭素14を指標とする手法）

太陽活動が活発化

⇒ 太陽（圏）の磁場が宇宙線をバリア

⇒ 地球に飛んでくる宇宙線（陽子）量が減少

⇒ 宇宙線（陽子）が作る炭素14の量が減少

⇒ 樹木年輪に取り込まれる炭素14の濃度が減少

二酸化炭素として循環（ 14CO2 ）

● 陽子 ○ 中性子

（陽子）

大気分子

地球

光合成により年輪に取り込まれる

太陽圏（磁場）

宇宙線 窒素原子核

炭素14

中性子

高エネルギー宇宙線 (a)太陽圏（太陽の磁場が広がる空間）が 宇宙を飛びかう高エネルギー粒子をさえぎる

(b) 宇宙線によって炭素14が生成される

6個の陽子と8個の 中性子。炭素12は 6個の陽子と6個の 中性子

n + 14N → 14C + 1H

半減期：炭素14：5370年、ベリリウム10:136万年 21

(Decadal)

Maunder Spoerer

Wolf Dalton Oort

~9 年 11~13 年

10~11 年 9~11 年

13~14 年 ~14年 ~13 年

D14

C (p

erm

il)

~11 年

Blue dots: Miyahara et al., 2004, 2006, 2007, 2008 Red dots: Damon, 2003 Black curve (decadal): Stuiver et al., 1998

炭素

１４

の量

年

-30

-10

10

30

800 1100 1400 1700 2000Year AD西暦年 太陽活動が活発

太陽活動が不活発

過去2千年のデータから太陽活動が低いと周期が13～14年に伸びる

22

23

太陽の極域の磁場を観測する：「ひので」の成果

太陽の大規模磁場は極性が反転 1997年 2008年

太陽全体の磁場（SOHO衛星） 白・水色：正極磁場 黒・橙色：負極磁場

正

負 正

負

24

「ひので」3月と9月に極域を重点観測 • 太陽の自転軸は、地球の公転軸に対して約7度傾いている。 • ３月前後に太陽の南極点、９月前後に太陽の北極点が地球から

最も観測しやすくなる。 どちらかの極点が見えているとき、反対側の極点は見えなくなる。

約7度

9月の地球の位置

3月の地球の位置

地球の 公転面

太陽の自転軸

9月に観測 可能な領域

3月に観測 可能な領域

25

26

2013年3月北極(N) 2016年3月北極(S)

「ひので」人類が初めてみた極域の磁場分布

「ひので」人類が初めてみた極域の磁場分布

27

2012年9月北極(N) 2015年9月北極(N)

太陽は一時的に4重極になった

２００８年

28

２０12-15年

29

これからの太陽活動を 予測する

極の磁場が次の極大期 の大きさを決める

北極

南極

北極

南極

北極

南極

原因 極域の磁場 が弱いと

結果 黒点が できない！

30

太陽の磁場総量の急速な減少

北極 North Pole

南極 South Pole

現在の太陽活動：極大～下降期

ウィルコックス太陽天文台 Wilcox Solar Observatory

ベルギー王立天文台 Royal Observatory of Belgium

西暦 Year

太陽極域平均磁場 Polar Magnetic Field 西暦 Year

太陽黒点数 Sunspot Number

太陽活動が極大になる時期に、南北両極磁場の極性が反転

31

原因

結果

太陽

黒点

数

現在の 極大期

マウンダー 極小期

ダルトン極小期

太陽周期～14年

太陽周期～13年 太陽周期～13年

周期の伸び・南北の非対称性発生により 太陽は停滞期に入ろうとしているのか？

南北極同極性 黒点が南半球に偏る （南北極同極性？）

32

現在

11400年前

4千年前

炭素14から求めた過去11400年の黒点数

黒点数

黒点数

大極大期と大極小期がある 最新の大極大期は２０世紀 半ばより始まり２１世紀の始 まりとともに終了した

33

From NASA D. Hatraway http://solarscience.msfc.nasa.gov/predict.shtml

2016年7月現在

2030

Cycle 25：max. 2025-26? SSN～50?

2040

太陽黒点数の予測？ Cycle 24 (SSN 113 in 2014)：

Cycle14 (max. SSN 105 in 1905)以来最低

34

35

太陽は地球環境へ どれくらい影響を与えるのか？

英国気象庁2015年2月発表 全球年平均温度

１９

８１

－２

００

０年

の

平均

温度

から

のず

れ

英国気象庁2013年1月8日発表 「2020年頃まで顕著な温度上昇は予想できず、

地球温暖化は停滞している」

36

山桜の開花時期を使って過去の太陽活動を知る！青野 靖之先生（大阪府立大学大学院）

37

• 気温が高いと桜の開花時期は早くなり、低いと遅くなる。

• 822年分の京都の古文書の記録を丹念に調査し、山桜の満開日から過去1200年の京都の3月平均気温を復元した。

• 都市温暖化の影響がない1911年～1940年のデータを使って較正と手法を検証。0.1℃で一致。

• 誤差の評価を適切に行った優れた研究。

於清涼殿花御覧

天盃頂戴

満開日調査(1880年以前) 調査対象：京都で書かれた古記録

サクラが満開の状況 花見や花宴，鞠の会，歌会，連歌会

(あらかじめ日程が決められた月次会を除く) 花見などの後にサクラの枝を贈った 桜花に関する和歌・詩歌の題

に関する記述があった日付を調査

平松時庸記

寛永廿一年三月八日

（西暦

一六四四年四月十四日）

現行暦に換算

ヤマザクラ(近畿で一般的な自生種) の満開日と見なす

青野 靖之先生 大阪府立大学大学院

38

本研究による京都の3月平均気温推定推移と太陽黒点数復元推移との比較

４つの主要な太陽活動極小期と対応した低温期の存在 極小期の後半～終わり頃に推定気温が最も低下することが多い。     (十年から数十年の応答の遅れ？)  

復元気温と太陽活動

10世紀前・中期は現在  (除・都市昇温分)よりも暖かい。

青野 (2012) 地球環境, 17, 21 – 29 39

40

凍るテイムズ川 (1677) http://en.wikipedia.org/wiki/File:The_Frozen_Thames_1677.jpg

黒点数と地球の寒かった時期

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 20000

20

40

60

Su

nspo

t num

ber

Years -BC/AD

過去6500年で、黒点数の極端に小さい15回のうち、１２回がヨーロッパで気温が低かった時期に一致している。

黒点

数

西暦

Courtesy of Ilya G. Usoskin

41

⇐１℃の低下

⇐２℃の低下

マウンダー極小期 発生時の温度低下

英国気象庁一2015年2月発表

太陽黒点数と宇宙線量の関係

黒点数が少ない時は宇宙線の量が多くなっている

月平

均黒

点数

宇

宙線

粒子

数

• 宇宙線が地球大気中に侵入 →電気を帯びた粒子の大量発生 • 水蒸気を引きつけ雲を作るタネに

• 太陽活動が活発～黒点が多い

– 強い太陽磁場が銀河宇宙線の地球への侵入を阻害 – 宇宙線量少ない→雲少量→温暖化？

• 太陽活動が静か～黒点が少ない – 太陽磁場による銀河宇宙線のバリア効果が弱まる – 宇宙線量が多い→雲多量→寒冷化？

太陽の磁場はどのように 地球の気候に影響するか？

まだ解明されておらず、現在も研究が進められている

[宮原, 2009]

45

惑星磁場は生命と文明にどう影響しているのか？

太陽

地球

46

太陽面爆発で発生した衝撃波と巨大なプラズマのかたまりが太陽風の中

を地球に向けて伝播する

46

地球

太陽嵐の影響（宇宙天気擾乱） ケベック州大停電 (1989) オーロラ

衛星故障 GPS障害・通信障害 被曝

惑星のもつ磁場の強さ 地球

土星

木星

金星

火星

水星

大気と太陽風の 直接相互作用

頑丈で強大な 磁気圏の形成

弱い 強い

惑星の写真：©NASA

惑星のもつ磁場の強さ 地球

土星

木星

金星

火星

水星

大気と太陽風の 直接相互作用

頑丈で強大な 磁気圏の形成

弱い 強い

惑星の写真：©NASA

わずかな残留磁場

×1/100 ×600

×1

×20,000 磁場の痕跡なし

※磁気モーメント

太陽系惑星と磁場

木星

火星

地球 金星 水星

土星

天王星

海王星

50

磁場の無い、重力の弱い火星では？

• 重力が弱いため、大気をつなぎ止めておく力が弱い。 • 火星は早い時期に磁場を失った。 • 昔は太陽風や太陽紫外線が現在よりはるかに強かった。 大量の大気が宇宙へ散逸させられたため現在はわずかな大気しか無いのもしれない 51

地球には磁場があるので

52

もし地球に磁場がなかったら

53

火星

アポロ宇宙船飛行士の死因は 心血管疾患が多い

• アポロ宇宙船飛行士の死因において心血管疾患が占める割合が、宇宙飛行をしたことのない宇宙飛行士と地球低軌道の周回飛行をしたことのある宇宙飛行士のそれぞれ約5倍の高さ

• 地球を保護する磁気圏を越えた宇宙飛行の危険性を指摘

• Delp, M. D. et al. Apollo Lunar Astronauts Show Higher Cardiovascular Disease Mortality: Possible Deep Space Radiation Effects on the Vascular Endothelium. Sci. Rep. 6, 29901 (2016). 「アポロ宇宙飛行士は心血管疾患による死亡率が高い：血管内皮への放射線の影響か」

55

続々見つかる太陽系外惑星に生命は存在には？

なぜ第2の地球を探す？

系外惑星発見前夜

太陽系は標準でない？

すばるにおける惑星探し

ハビタブル惑星とは？

宇宙における生命

講演内容  （予定）  

• 1つの銀河に1000億の星 • 宇宙に1000億の銀河 • 合計10000000000000000000000000

宇宙科学者が挑むBig Questions 1. 地球に生命はどうやって誕生したのか？ 2. 第2の地球はあるのか？ 3. 地球外に生命体は存在するか？ 4. 宇宙全体の物質とエネルギーのうち、 74%がダークエネルギー、22%がダークマター （見えない物質）。 一体これらは何？ 5. 宇宙はどうやって始まったのか？

57

58

どうやって惑星を見つけるのか？ 光が暗くなるのが観察された

59

ハビタブル領域にあるケプラー惑星

惑星の半径（地球を１とする）   惑星の平衡温度（大気効果を考慮すると摂氏0-100度）  

木星        

海王星          地球  

約60個の ハビタブル惑星 （重いものも含む）

恒星が惑星を持つ割合 (P<85日)

Small

17% 21% 20% 2% 2% Total=62% 少なくとも一個の惑星を持つ恒星の割合（％） 惑星のサイズ（地球を１としたとき）

地球 ｽｰﾊﾟｰｱｰｽ 小海王星 大海王星 木星

太陽系

水星 金星 地球 火星

ハビタブルゾーン 水のある領域

太陽系外惑星   惑星に磁場のあること が大気の維持に重要

62

３ 将来の展望

生命存在の指標となる惑星大気のスペクトルの特徴をとらえる

水

オゾン（酸素）

二酸化炭素

メタン

これらが共存すればより良い指標

WFIRST・ＳＰＩＣＡ計画

金星、地球、火星のスペクトル

波長（ミクロン）

温度（ケルビン）

金星

ガリレオ探査機の データ（セーガン1993）

地球の特徴は遠くからどう見えるのか？

ハビタブルゾーンの惑星が磁場を持っていれば大気があるはず？

水

オゾン

二酸化炭素

地球

火星

63

64

超巨大フレアは惑星上の生命と文明にいかなる影

響を与えるのか？

巨大フレアの発生頻度 （GOES クラス分類：X線強度で分類）

最近のフレアの数 • 年 X M C • ---------------- • 1989 59 620 1929 • 1990 16 273 2262 • 1991 54 590 2653 • 1992 10 202 1922 • 1993 0 74 1142 • 1994 0 25 336 • 1995 0 11 148 • 1996 1 4 81 • 1997 3 21 286 • 1998 14 94 1188 • 1999 4 170 1854 • 2000 17 215 2223 • 2001 21 310 2101

Ｃクラスフレアは１年に１０００回 Ｍクラスフレアは１年に１００回 Ｘクラスフレアは１年に１０回 Ｘ１０クラスフレアは１年に１回 Ｘ１００クラスフレアは１０年に１回 ・・・ Ｘ１０００００クラスフレアは１万年に１回？

X線強度が１０倍に なると発生頻度が １０分の１になる

観測史上最大のCarringtonフレア(1032エルグ) (1859年9月1日）

• Richard Carrington により1859年に観測

• 大変明るいオーロラが、キューバ、バハマ、ジャヤマイカ、エルサルバドル、ハワイに現れた。

• 観測史上最大の磁気嵐(> 1000 nT)

• 欧州と北米の電信システムが障害 • 電信紙がスパークで発火 （Loomis 1861）

• 2012年７月23日にステレオ衛星で観測されたフレアは、スーパー Carringtonフレアであったと言われているが、太陽の裏側で発生したので影響はなかった。

• もし地球を直撃したら、その被害額は２兆円と推定された。 （柴田・磯部による）

66

屋久杉から見つかった奈良時代後期のスーパーフレアの痕跡

1035ergのスーパーフレアか？ （最大太陽フレアの1000倍） (Miyake et al. Nature , 2012, June, 486, 240)

Nature誌

ケプラー衛星の観測した星の明るさの変化とスーパーフレアの発生

星に超巨大な黒点があり スーパーフレアを起こしている

Maehara et al. (2012)

発生エネルギー ~ 1036 エルグ 太陽フレアの１万倍

（柴田・磯部による） 68

スーパーフレア

nanoflare microflare

最大の太陽フレアより1000 倍強力 なスーパーフレアが５０００千年に 一度発生する（我々の太陽で！）

Shibata et al. 2013

ナノフレア～フレア～スーパーフレア １０の２４乗（最小のフレア？）～１０の３２乗（最大のフレア）

（柴田・磯部による）

通常の太陽フレア

最も大きな太陽フレア

フレアのエネルギー(erg)

フレ

アの

発生

頻度

1000 in 1 year 100 in 1 year 10 in 1 year 1 in 1 year 1 in 10 year 1 in 100 year 1 in 1000 year 1 in 10000 year

69

太陽系

水星 金星 地球 火星

水のある領域

太陽系外惑星  ハビタブルゾーンの惑星は 星からの距離が近く フレアの影響を受けやすい

70

フレアと生命の起源：まとめ • 10の35乗エルグのスーパーフレア(最大級の太陽フレアよ

り1000倍強力） は、我々の太陽においても５千年に１回発生すると推測される 。

• 10の35乗エルグのスーパーフレアは、オゾン層の減少を引き起こし、文明の存続に影響を与える可能性がある。

• 10の37乗エルグのスーパーフレアは、生命の終焉をもたらす可能性がある。

• 太陽より小さくて暗い星（Ｍ型星）に10の35乗エルグのスーパーフレアが発生すると、ハビタブルゾーンにある惑星表面は強い放射線に晒される。 Ｍ型星のフレアの発生頻度は、太陽の100倍程度ある。Ｍ型星の惑星は、度重なる巨大フレアに晒され、生命が発展できないかもしれない。

71

本日のお話しのまとめ

• 太陽の黒点の増減と地球の温度が関係している

• 太陽黒点数の非常に少ない時期の来る可能性があり、その場合、地球は寒冷化する

• 非常にまれにスーパーフレアが起きる可能性があり、惑星の生命と文明に影響を与える。

• ハビタブルゾーンの惑星が磁場を持っていることは、生命と文明の維持と発展に大事。

72

おわり