太陽の最後の大フロンティア 太陽極を探索する

太陽の最後の大フロンティア　太陽極を探索する

あらすじ
複数の宇宙および地上ベースの太陽観測所への投資にもかかわらず、太陽の極域は依然として未開の地であり、最後の偉大な地域です。
太陽観測の最前線。 このフロンティアを破ることは理解の基本です
太陽周期 - 短期から長期の太陽活動の究極の原動力であり、宇宙天気と宇宙気候。 電磁流体ダイナモモデルと
経験的に観察された関係は、極場が主要なものであることを確立しました
将来の太陽周期振幅の決定要因。 傾斜の太陽表面進化のモデル
活発な領域は、中緯度から高緯度にかけての磁束のサージが地球を支配していることを示しています。
極場の反転と構築につながるダイナミクス。 私たちの理論
この高緯度磁場ダイナミクスの理解と数値モデル、
黒点サイクルの重要な構成要素であるプラズマの流れは、正確ではありません。
現在、私たちの場所による大きな投影効果によって制限されている観測上の制約
黄道の平面で。 この制限により、観測する能力が損なわれます。
謎めいたキロガウス極フラックスパッチと極場を定量的に制約する
高緯度に分布。 ひいては、これらの観察の欠如は、私たちのハンディキャップになります。
高緯度の磁場がどのようにして極ジェット、噴煙、および
太陽圏の境界まで伸びて太陽を調節する高速の太陽風
太陽系内の開放フラックスと宇宙線フラックス。 太陽の正確な観測
したがって、極地は、直面する唯一の最も顕著な課題です。
太陽物理学。 太陽極探査ミッションは、単独で、または内太陽圏全体の複数の見晴らしの良い地点観測と組み合わせて、
他のミッションの概念にないような太陽物理学の分野 – 超越的な関連性を持つ太陽内部から太陽圏までの空間レジーム。
このホワイト ペーパーでは、太陽の極域の新しい黄道外観測の科学的事例
既存の、または将来の多視点太陽圏天文台との組み合わせ。
大きな絵 太陽星の磁気活動の起源は、内部で動作する電磁流体力学 (MHD) ダイナモ機構。
プラズマの流れと磁場は複雑なプロセスを通じて相互作用し、大規模な磁場を生成します (Charbonneau 2020; Brun et al. 2015)。 磁気活性領域
太陽ダイナモによって生成されたエネルギーは、太陽の表面を通って出現します (ジューブ、ブラン、Aulanier 2018) は、その後の動的な相互作用が頻繁に発生する外側の大気に移動します。
太陽フレアやコロナ質量放出などのエネルギー的で一時的なイベントにつながる
(CMEs) – 厳しい宇宙天気を作り出す (Schrijver 2015)。 出現と表面近くのフラックス輸送を介した太陽表面磁場の進化
プロセスは、大規模な太陽コロナの構造とダイナミクスを支配する表面フィールドの再分布をもたらします。 ここで太陽風が生まれ、伝播する
太陽圏全体。 表面場を介した開放フラックスの複合作用
進化と乱流の太陽風輸送は開放フラックスを変調し、その結果として
太陽圏における宇宙線フラックス; これらは周囲の空間環境を定義します
太陽磁気嵐が作用する地球などの太陽系惑星
宇宙天気を支配する一時的な摂動。 スペースの理解と予測
天候は、宇宙にある私たちの資産を保護するために重要です (Schrijver 2015, Daglis et al.2021年）。
長期的な太陽磁気変動の影響の解明 (Usoskin 2017)そして、惑星の磁気圏大気システムへのその力は、深遠です
宇宙気候と太陽系およびその他の惑星の居住可能性への影響
恒星 (系外) 惑星系 (Nandy et al. 2021)。
ここ数年でこれらの方向に多くの進歩がありましたが、何十年もの間、生成された知識は重大な欠点も明らかにしました。 の
何よりも、磁気を観察的に制約し、完全に理解することができないことです。
太陽の極域における場に関連する力学とそのフラックスコンテンツ - その影響力は、太陽の内部、大気、太陽系にまたがるプロセスを超えます。
太陽圏 (Petrie 2015)。 人類は空間的に達成したことがないことに注意してください
上の任意の星の極磁場の正確な観測を解決しました。
ルーチンベース。 ソーラー オービターのミッションはその方向への半歩ですが、そうではありません。
足りる。 以下では、太陽の極域への遠征を鼓舞します。
これが生み出すことができる変革的な知識の一部。 私たちは意識してそうします
今では思いもよらない新たな発見や驚きがあるかもしれません。


太陽の極域と黒点周期の予測
太陽周期が厳しい宇宙天気の発生確率を支配する一方で、
イベントと惑星環境の10年規模の強制力、将来のサイクルの予測
未解決の課題のままでした (Petrovay 2018)。 最近の進捗状況の分析
サイクル最小時の極場が将来の最良の指標であることを実証する
太陽周期の振幅と、バブコック レイトン メカニズムに基づく物理学に基づくダイナモ モデルが収束して、弱中程度の周期を示すようになった 25 (Nandy
2021年）。 バブコック・レイトン機構は、
活動領域 (傾いた双極黒点ペア) とそれに続く崩壊、分散、表面近傍プラズマ輸送による逆極性フラックスの大規模分離
子午線循環、乱流拡散、ポンピングなどのプロセス (Jiang et al.2014）。 分析理論は、表面フィールドが内部の主要なドライバーであることを示しています
ダイナモ (Cameron and Schüssler 2015)。 特に、クロス赤道キャンセルと
活発な緯度からの中高緯度サージ (図 1d - e で明らか) は、
太陽極場振幅の主な決定要因。 次に、太陽活動極小期における太陽極場分布 (双極子モーメントを決定する) が主な分布です。
将来のサイクルの振幅に貢献します。 これらのダイナミクスは現在不十分です
観測によって制限されます。


図 1: 左: 上のパネルは、観測された黒点数の時系列を示しています。
前世紀、中央のパネルは再構築された半球の極場の変動を示しています
極白斑データと Wilcox Solar Observatory データ (青: 北、赤: 南) および
下のパネルは、太陽の蝶の図を示しています。 右: 上のパネルは、
太陽表面で観測された放射状フィールドの進化 (Kitt Peak から収集)
真空望遠鏡 (KPVT)、マイケルソン ドップラー イメージャー (MDI)、日震計
磁気イメージャー (HMI) 観測) の下のパネルはラジアル フィールドを示しています。
データ駆動型の太陽表面フラックス輸送モデルからシミュレートされた進化 (Bhowmik ナンディ 2018)。
左の図は、極場が黒点サイクルに先行する振幅は、後者の強さを決定します。 上の図
右は、からの磁束の伝搬「舌」(サージ) の役割を明らかにします。
太陽の極場の反転と構築における中高緯度。
極場と関連する双極子モーメントの直接観測はありません
変動し、予測を検証するために極白斑などのプロキシに依存する必要があります
表面磁束輸送モデルとダイナモ モデル。 さらに衰弱させるのは、現在の
極域観測は、大きな投影効果に悩まされます。 図 2 簡潔に
太陽の極を直接見ることができる場所から私たちが何を観察できるかを示しています
黄道面からの妥協したビューと比較して。
要約すると、少なくともからの磁場をイメージングできる極地ミッション
黄道面の上または下の 60 度は変形を返すことができます
高緯度磁場ダイナミクスに関する情報を取得し、極磁場分布をこれまでになく制約し、磁場進化の検証につなげる
黒点サイクルのモデルと正確なデータ主導の予測。




図 2: 左: 太陽からの磁場の表面分布のスナップショット
黄道面に近い遠近法を描いた表面磁場進化モデル (太陽の傾斜角は無視)。 右: 上から見た同等の視点
太陽の北極は、低緯度から欠落している極冠の詳細を明らかにします
視点。 少なくとも 60 度上 (または下) にナビゲートできるミッション
黄道面はこれらの詳細を明らかにし、高緯度のダイナミクスを制約して戻ります
極におけるプラズマ流と磁場分布の正確な測定
太陽活動を支配し、高速の太陽風に電力を供給します。
高緯度太陽プラズマ流の制約
表層付近および対流帯内の高ベータプラズマドメインでは、
プラズマ流が磁場ダイナミクスを駆動します。 これらのフローは依然として十分に制約されていません
表面速度場の高緯度測定が持つ極域で克服する可能性 (Löptien et al. 2015)。 特に、ドップラーグラム データは
日震法を適用できるようにする (Christensen-Dalsgaard, 2002; Gizon and Birch,
2005) 太陽の内部構造とダイナミクスを推測する。 再生子午線循環
大規模な太陽ダイナモ活動のタイムスケールと振幅を設定する上で重要な役割
と磁気 (Rempel 2006; 花曽毛, 2022) は、極。 極冠付近の流量測定の大幅な改善、子午線循環の極範囲を含むことは、磁気で可能です
ない観測に適用される特徴追跡技術 (Mahajan et al. 2021)
投影効果に悩まされます。 このような高緯度観測を同時に使用する場合
Helioseismic and Magnetic Imager などの既存の観測所からのデータを使用
(HMI) は、極子午線の流れに決定的な制約を生成できます。 そのような測定は、（立体的な）日震イメージングの可能性を開きます
プラズマはより深い層でより忠実に流れます。 の深いコンポーネント
子午線の流れは、赤道方向への伝搬に重要な役割を果たしていると考えられています。
黒点の出現の緯度 (Nandy and Choudhuri 2002)、しかしその構造と
変動性は依然として制約されていません。 太陽の内部自転の測定 – の 1 つ
日震学の最大の成功は、極の近くで非常に騒々しいです。
高緯度の流れ、極渦と関連する弱い回転、およびそのヒント
回転の重大な地下変動は、未解決の問題の1つです。
極観測は解決できます。 回転と子午線に関するこれらの新しい制約
極域での循環は、相互作用に強力な制約を生み出す可能性があります
太陽ダイナモ作用を維持する流れと場の。

キロガウス極フラックスパッチの謎を解き明かす


図 3: 太陽付近のユニポーラ キロ ガウス フラックス パッチのひので SOT 観測
2007 年 9 月 25 日に取得された北極 (Ito et al. 2010 より)。 視野
北極冠の 20 度以上に広がっています。
ひので太陽光学望遠鏡（SOT）による観測により、
の高緯度地域における強力な小規模キロ ガウス フラックス パッチの存在
多くの場合、太陽の内部に共存し、大規模な極と同じ極性を持っています。
cap (Tsuneta et al. 2008, Ito et al. 2010; 図 3 の赤い領域)。 これらの単極フラックス
極域のパッチは、小規模のものと比べて性質が異なるようです
混合極性の磁束は静かな太陽にパッチを当て、開いた磁気を維持すると考えられています
高速太陽風に電力を供給することができる太陽コロナの磁力線。 これらのユニポーラ パッチは、ポーラ キャップの全体的なフラックス コンテンツに大きく寄与するため、
ポロイダル場成分を変換するダイナモ機構に関与する可能性がある
次のサイクルのトロイダル フィールド コンポーネントに。 これらの強烈なフラックス濃度
また、太陽開放フラックス問題のコンテキストにも関連しています (Linker et al. 2017; Wang
ら。 2022)、つまり、予想されるオープン フラックスと観測されたオープン フラックスとの間の不一致。 の
これらの極キロガウスフラックスパッチの起源、それらのフラックスコンテンツの進化
太陽周期と磁場の高緯度伝搬との関係
極場の構築と逆転につながることは、よくわかっていないままです。
さまざまな場所での磁場と流れの高緯度の見晴らしの良い場所での観測
太陽周期の段階は、太陽を取り巻く謎を解読するために重要です。
これらの極キロ ガウス フラックス パッチの起源とその場の太陽との組み合わせ
風の特徴付け – それらが風力発電の起源の基本的なものであるかどうかを立証する
極からの速い太陽風。
極大気のダイナミクス: ジェット、プルーム、風
太陽の極は、多くの場合、コロナ ホールの存在によって特徴付けられます。
磁力線、強力なキロガウス磁束管、極プルームとジェット (Hanaoka et al.
2018)、時には疑似ストリーマー。 オープン コロナ フィールド ライン。
極域は、アルヴェン波 (乱流散逸) を介した優れた経路です。
太陽風加速 (Hassler et al. 1999; Krishna Prasad, Banerjee and Gupta 2011;Morton、Tomczyk、および Pinto 2015)。 異なる時期の太陽極場の強さ
サイクルのフェーズと最小で、開いたフィールドと閉じたフィールドの境界に影響を与えます
大規模ストリーマーの線と傾き (Dash et al. 2019)。 最近の調査結果は、
コロナホールでのインターチェンジ再接続は、太陽風に電力を供給する可能性があります。 ただし、証明する
これには、極磁場測定が必要です (Tripathi、Nived、および Solanki2021; Upendran と Tripathi 2022)。 これらの極現象はすべて、
高速太陽風の加速と地球規模の構造化。
太陽圏と近地球の宇宙天気 (Cranmer, Gibson and Riley 2017).
極磁場と過渡現象の景観に対する適切な制約
太陽周期による現象 - 黄道外の空間を介して達成される
太陽極上を複数回通過するように設計されたミッションコンセプト -
大規模な構造化を評価および予測する私たちの能力を変革します。
地球規模の太陽風とその太陽圏および宇宙天気への影響、および
太陽内部を最も遠くまで橋渡しする磁気接続性を前面に出す
太陽圏の到達。
推奨事項のまとめ
NASA プログラム: ここで提示された新しい科学に対処するにはスペースが必要です
その範囲は、中規模から大規模のいずれかになる可能性があります。
シングル バンテージ ポイントまたはマルチ バンテージ ポイントのミッション コンセプトが計画されているかどうか
科学に取り組みます。 私たちは、概念実証、単一の視点の使命を信じています
極域の磁場をイメージングするための短いターンアラウンドタイムで、
黄道面の少なくとも 60 度上空からの太陽大気
次の太陽活動極小期 (つまり、2026 年から 2032 年) までの高緯度ダイナミクス
ミッションの公称寿命を 5 ～ 10 年とするのが賢明なアプローチです (例:
ハスラーらによるホワイトペーパー。 2022年）。 同時に、そしてこの経験とともに
ミッション同化、多視点ミッションのコンセプトを探求して
内太陽圏全体で太陽活動とその場の宇宙環境を制限します。
NSF プログラム: 理論、数値シミュレーション、および既存のデータ分析
全体的な理解に直接貢献する地上および宇宙からの観測
太陽内部、大気、空間を含む物理プロセスの
因果関係を立証する観点から、太陽系惑星の環境が必要である
コミュニティの準備と将来のスペースの最終的な成功のための要素
ミッション。 中規模の研究インフラストラクチャとイノベーション プログラムは、
NSF によってサポートされているため、NASA の宇宙ミッションを補完するために不可欠です。
具体的には、活用して同化する大規模なチームまたはセンターをサポートすることを提案します。
理論、モデリング、およびデータ分析ツールを開発するための米国および世界の専門知識
それは、このホワイト ペーパーで想定されている、黄道外のマルチ バンテージ ポイント宇宙ミッションからの変革的な科学的成果を補完し、可能にするものです。
太陽圏の地球規模で調整されたマルチ バンテージ ポイント観測: 私たちは
Parker Solar Probe、Solar Orbiter、Solar Dynamics などの既存のミッションに注意してください。
天文台、ACE、WIND、DSCOVR、および CNSA Advanced などの今後のミッション
宇宙ベースの太陽天文台、ISRO の Aditya-L1 および ESA の Vigil が可能性を提供します
新しい太陽極ミッションと組み合わせた地球規模で調整された観測の。 私たち
データのメカニズムを強化することにより、これを最大限に活用することを推奨します
ミッション チーム間で情報交換し、モデリングとデータ分析の専門知識を活用する
国境を越えて。 この相乗効果は、より野心的で多機関による国際化を促進する可能性があります
の展開による太陽物理学のシステム全体の探査のためのプログラム
太陽圏の 4π ステラジアン全体をカバーする複数の宇宙船 (例:Raouafi らによるホワイトペーパー。 2022) は、誰にとっても法外な費用がかかる可能性があります
国家だけ; これが人類の究極の目標であるべきです。
私たちが共有し、この理解を使用して、他の世界の探索を導きます。
私たち自身を超えています。