概要
情報通信研究機構の岩井一正特別研究員を中心とする国立天文台、宇宙航空研究開発機構、茨城大学からなる合同研究グループは、野辺山45m電波望遠鏡と野辺山電波ヘリオグラフという2つの電波望遠鏡群を用いた大規模な太陽黒点観測を行いました。その結果、黒点上空ではミリ波の電波放射が周辺よりも低いことを明らかにしました。この結果は黒点大気がこれまでの予想よりも更に上層まで黒点の磁力に支配されている可能性を示しています。

背景
太陽表面で一番有名な構造と言えば黒点でしょう。太陽の黒点には強い磁力が存在し、その影響で周囲よりも温度が低い層が見えます。そのため周囲より暗い「黒い点」として見えます。可視光で見える層「光球」では黒点は確かに周りより暗く見えます。一方、それより上層の「彩層」では黒点の磁場がどのように広がっているのか分かっておらず、その影響を受ける大気の温度や密度構造も良く分かっていません。しかし黒点上空の大気構造はその上空で発生する「フレア」と呼ばれる大爆発現象の発生を理解するために必要不可欠です。波長が 1〜10 mmのミリ波と呼ばれる電波はこの彩層を見ることができます。黒点からのミリ波の放射量は彩層大気の温度や密度に依存するため、ミリ波で見た黒点の明るさは、黒点上空の大気の状態を推測する重要な指標と言えます。こうした背景から、野辺山ではミリ波の太陽観測から黒点大気の謎を明らかにするため、野辺山45m電波望遠鏡と電波ヘリオグラフという2つの望遠鏡を用いて太陽黒点観測を実現しました。

45m電波望遠鏡と電波ヘリオグラフのコラボレーション
野辺山には太陽黒点を観測できる望遠鏡が2グループあります。一つは野辺山45m電波望遠鏡です。45m電波望遠鏡は波長が約3mmのミリ波電波を観測できる世界最大の望遠鏡です。この望遠鏡は、もともとは太陽以外の天体の観測のために作られましたが、様々な工夫を施すことで近年太陽の観測も可能になりました(記事「太陽の黒点、電波でも黒かった」)。45m電波望遠鏡は実際には8mm程度の長い波長の観測もできますが、波長が長くなると空間分解能が悪くなり、黒点の領域を空間的に分解した観測ができなくなります。
もう一つの電波望遠鏡は電波ヘリオグラフと呼ばれる電波干渉計です。この太陽専用の電波干渉計は、約8.8mmという比較的波長の長いミリ波を観測できます。電波ヘリオグラフのアンテナの直径はたった0.8mですが、全部で84台あります。この84台のアンテナから得られる信号を合成することで、直径500mの望遠鏡と同じ空間分解能が得られます。仮に45m電波望遠鏡と電波ヘリオグラフが同じ波長を観測すると、電波ヘリオグラフの方が約10倍も空間分解能が良くなるのです。しかし電波ヘリオグラフはもともと太陽フレアによる突発的で強い電波放射を観測するために開発されました。そのため黒点からの電波の観測には不向きでした。今回の研究ではSteerアルゴリズムと呼ばれる黒点の観測に適したデータ解析技法を応用することで、電波ヘリオグラフでもミリ波の黒点観測が出来るようにしました。これによって3mmと8.8mmという異なる波長の黒点観測が同時にできるようになったのです。野辺山が世界に誇る2つの望遠鏡群が史上初めて同時に同じ場所を向く一大プロジェクトです。

観測成果
本研究では、まずミリ波の電波の放射が彩層のどの深さの層から放射されているのか調べるため、ミリ波と紫外線で得られた画像を比較しました。図1はNASAの太陽観測衛星「SDO」で観測された紫外線の太陽画像上に等高線で電波の明るさが表示されています。紫から赤になるにつれて電波の明るさが高くなり、緑の領域が太陽の平均的な明るさを示します。左の図は波長が1700Åの紫外線画像の上に3mmの電波を重ねたもの、右は波長が304Åの紫外線画像に8.8mmの電波を重ねたものです。よく見ると、3mmの電波の放射領域と1700Åとで見える構造とが、8.8mmの電波の放射領域と304Åで見える構造とがそれぞれ良く似ていることが分かります。1700Åの紫外線は彩層の比較的深い領域から放射される一方、304Åの紫外線は彩層の最も上部で放射されることが分かっています。そして放射領域が似ていることは、紫外線と電波の2つの放射が出ている層がそれぞれ似ていることを示唆します。ミリ波の電波は波長が長くなるほど上層から放射されることが理論的に示唆されていました。今回はそれが初めて観測的に検証できたことになります。

次に黒点中心部の観測の観測を行いました。図2は波長が1700Åの紫外線画像に電波ヘリオグラフで観測された8.8mmの電波を重ねたものです。黒点の中心にはっきりと周辺より暗い領域があることが分かります(図2中の赤い矢印)。今回初めて黒点は8.8mmでも暗いことが発見されました。

本研究の意義
本研究では、3mmと8.8mmという2波長を同時に観測することで、ミリ波の電波の波長が長くなるにつれて、放射層が彩層の下部から上部に変化する様子を初めて捉えることに成功しました。黒点の観測では、45m電波望遠鏡の観測からは3mmの黒点が暗いことが明らかにになっており、今回新たに電波ヘリオグラフの観測から8.8mmでも黒点が暗いことが分かりました。つまり太陽黒点では彩層の下部から上部に至るまで、一貫して周辺より温度の低い層が見えていることになります。黒点上空だけ温度の低い層が見えるのは、黒点の持つ強い磁場の影響で大気構造が周辺とは異なるからです。今までこの影響は彩層の途中で小さくなり、ミリ波では黒点は暗くは見えないだろうと思われていました。本研究の結果は、黒点大気は予想よりもかなり上層まで、その強い磁場に支配されている可能性を示唆しています。この結果は黒点上空の大気の過熱機構の理解にとって重要な情報であるだけでなく、黒点上空で磁力のエネルギーが解放されることで発生する爆発現象「フレア」の理解にも一石を投じることになるでしょう。

そこで、黒点上空の磁力の分布(磁場)そのものを計測することが次の大きな課題となります。黒点の表面(光球)の磁場は可視光の観測で昔から計測されてきましたが、彩層やコロナという上空の磁場計測は困難でした。最近、詳細な彩層やコロナの磁場計測が電波ヘリオグラフで可能になりました。ぜひこちらもご覧ください(茨城大リリース「宇宙天気予報への電波観測の貢献」)。

おわりに
この研究のポイントは、二つの望遠鏡を同時に使ったことです。太陽からの電波放射は、周波数によって様々な層から放射されるため、異なる複数の周波数で同時に観測しないと、どの波長の電波がどの層で放射されているか、はっきりとわかりません。45m望遠鏡と電波ヘリオグラフのどちらかが欠けてもこの研究は不可能でした。特に変化の激しい太陽の観測では、全ての望遠鏡に厳密な同時性が求められるため、どれか一つの機器に不調があれば観測できません。更に、たとえ観測できてもその日に黒点が太陽表面に無ければおしまいです。また、全く異なる目的で作られた望遠鏡を組み合わせて研究するには多くの困難もありました。20年以上に渡り野辺山の地に並び立ちながら、様々な要因で決して交わることの無かった電波の双璧。それらを最後に結びつけてくれたのは、母なる星のぬくもりだったのかも知れません。

論文・研究メンバー
この成果は野辺山太陽電波観測所主催のデータ解析研究集会で得られた結果をもとに論文化されたもので、以下の内容で米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル』に掲載されました。
出版論文: The Astrophysical Journal, Volume 816, id 91, 2016
論文名：Chromospheric Sunspots in the Millimeter Range as Observed by the Nobeyama Radioheliograph
研究メンバー:
　　岩井一正(情報通信総合研究機構)
　　越石英樹(宇宙航空研究開発機構)
　　柴崎清登(国立天文台)
　　野澤恵, 宮脇駿, 米谷拓朗(茨城大学)

関連リンク
• 野辺山記事「太陽の黒点、電波でも黒かった」
• 茨城大リリース「宇宙天気予報への電波観測の貢献」
• 名古屋大リリース「野辺山電波ヘリオグラフの国際運用からの成果」
• 野辺山にある電波望遠鏡の紹介