[研究トピックス]博士論文概要 : タイムスケールに着目した太陽高エネルギー粒子イベントに関する観測的研究(博士論文)

概要

11 研究トピックス
11.1 博士論文概要
タイムスケールに着目した太陽高エネルギー粒子イベントに関する観
測的研究（博士論文）
太陽は、その表面で起こるさまざまな活動現象を介して、光(電磁波)や粒子を惑星間空
間へと放出しています。これらによる惑星間空間や地球への影響は、総称して宇宙天気と
呼ばれています。宇宙天気における
重要な要素の一つが、太陽高エネル
ギ ー 粒 子 (Solar Energetic Particle;
SEP)です。SEPとは、太陽から放出さ
れる高エネルギー粒子(電子、陽子、
イオンなど)であり、いわゆる放射線
粒子です。地球周辺にまで到達した
粒子は、宇宙飛行士や航空機乗員
の放射線被曝、人工衛星の故障(図
図 1. 太陽高エネルギー粒子(SEP)による撮像素子への影響。
1)などを引き起こすため、その発生機
平常時(右)に比べ、撮影画像に大きくノイズが混入している(左)。
構の解明や予測が求められていま SOHO 衛星の観測機器 LASCO/C3 で撮影 ©NASA
す。
SEPが発生する原因の一つは、コロナ質量放出(Coronal Mass Ejection; CME)と呼ばれ
る、太陽表面からのプラズマの放出現象です。太陽表面から放出されたプラズマは、太陽
の上層大気(コロナ)中のプラズマを押しのけながら惑星間空間へと進みます。この際、放
出されたプラズマの前面には衝撃波が形成されます。この衝撃波が、粒子を高エネルギー
にまで加速する加速機構だと考えられています。このように、CMEとSEPには深い関係があ
り、例えばCMEの放出される速度と、地球付近で観測される陽子フラックスの間には正の
相関があることが知られています。ただし、SEPはイベントごとでの特徴差が非常に大きく、
同じような速度で放出されたCMEが由来になっていても、陽子フラックスが4桁程度までば
らつくことがあり、SEPの特徴を決定づける要素はまだ完全には解明されていません。中で
も、CMEが発生してから、SEPがいつ地球周辺にまで到達し、どの程度継続するのか、など
のタイムスケールは、SEPを予報するという観点からも重要な一方、どのようにして決定する
のかが未だに明らかになっていない重要な要素の一つです。
このような背景から、本博士論文では、SEPのタイムスケールに着目した研究を行いまし
た。まずはSEPのタイムスケールにどのような傾向があるかを調べる統計解析を実施し
(Kihara et al., 2020)、次に、粒子(陽子)が地球に到達するまでの時間がどのように決定さ
れるのか、を明らかにするためのイベント解析を行いました(Kihara et al., 2023)。

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統計解析でのタイムスケールに関する主要な成果
は、2006年から2017年までに観測された134例の
SEPイベントから得られました。中でも、SEPの発生
源となったCMEが発生してから、地球軌道で粒子
が観測されるまでの時間(粒子到達時間)は、CME
の発生位置と強く結びついていました(図2)。太陽か
ら放出される粒子は、太陽面から伸びる磁力線に
沿って惑星間空間を伝搬します。この磁力線は太
陽を中心に、惑星間空間を放射状に伸びています
が、太陽が自転しているため、渦を描くように分布し
ていると考えられています。CMEが、この観測者に
接続している曲がった磁力線の足元付近で発生し
たとき、粒子到達時間は特に短くなる傾向にあるこ
とが分かりました。

図 2. 粒子到達時間の分布。縦軸は粒子到達
時間、横軸は CME が磁力線の足元から見て
どの経度で発生したかを示す。(Kihara et
al., 2020)

一方で、前述の通りSEPはイベントごとの特徴差が非常に大きいことで知られています。
図2の中央下部を見たとき、磁力線の足元付近でCMEが発生していても、粒子到達時間
は30分から6時間程度までばらつきを持って分布しています。なぜこのばらつきが発生する
のか？を解明することは、SEPの特徴差を説明し、ひいてはSEP全体の特性を説明する上
でも重要な課題です。同じような放出位置、放出速度のCMEが由来であるものの、異なる
粒子到達時間で観測された2つのSEPイベントに対して、CMEや太陽面、太陽電波の観測
などを総合した結果、CMEが放出されてから、粒子が放出されるまでに時間がかかった
SEPイベントで、粒子到達時間が平均よりも長くなっていることが判明しました。このイベント
では、CMEが一般的なものに比べて緩やかに加速しており、CMEが駆動する衝撃波にお
ける加速効率が緩やかであった、というモデルで、粒子到達時間の遅れが説明可能である
ことを示しました。

Kihara et al. (2020); Kihara, K., Huang, Y., Nishimura, N., et al. 2020, ApJ, 900, 75. doi:10.3847/1538-4357/aba621
Kihara et al. (2023); Kihara, K., Asai, A., Yashiro, S., et al. 2023, ApJ, 946, 21. ...

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