[BizHanKook] 今、画面に映っているのはゴッホの絵画ではない。黄色味を帯びた巨大な塊が沸き立ちながら動き、その合間には黒い筋模様と小さな渦が絶えず生まれ、そして消えていく。木星や土星のような巨大ガス惑星の大気でしか見られないような乱流が、プラズマで構成される太陽の表面で繰り広げられているのだ。これは想像図でもコンピュータグラフィックスでもない。人類が実際に撮影した、太陽表面の最も詳細な姿である。
太陽は、その表面の細部構造を空間的に分解して覗き見ることができる、事実上唯一の恒星だ。他の星々は、どれほど巨大な望遠鏡で見たとしても、そのほとんどがひとつの光る点に過ぎない。しかし太陽は、地球からわずか約1億5000万キロメートルしか離れていない。光の速さでたった8分の距離だ。おかげで私たちは、星の表面がどのように動き、プラズマと磁場がどのように絡み合い、そのエネルギーがどのように太陽爆発へとつながるのかを直接観察できる。
もちろん、太陽には地球のような足を踏み入れられる固い表面はない。私たちが太陽表面と呼んでいるのは「光球」である。太陽内部から抜け出した光が、もはやプラズマに捉えられることなく宇宙空間へと放たれ始める層のことだ。この光球の温度は約5800ケルビンに達する。画面を埋め尽くす明るい粒と暗い粒は「米粒斑」、または顆粒（かりゅう）と呼ばれる。それぞれの顆粒は通常、直径500から2000キロメートルに及ぶ。小さな細胞のように見えるが、実際にはひとつひとつが朝鮮半島をすっぽりと覆ってしまうほどの大きさだ。
明るい部分では、太陽内部の熱いプラズマが上に湧き上がっている。表面まで上がってきたプラズマはエネルギーを光として放出して冷え、顆粒の間の暗い境界に沿って再び下へと沈み込む。沸騰する鍋の中で熱い湯が上がり、冷えた湯が下がるのと同じ対流だ。ただし太陽では、電荷を帯びたプラズマが動いているため、対流と磁場を分けて考えることはできない。プラズマの流れが磁場を作り、磁場は再びプラズマの流れを変える。太陽表面は、巨大な対流と磁場が互いに押し合い引き合う現場なのだ。
人類は古くからこのダイナミックな太陽の顔を覗き見ようとしてきた。1610年、トーマス・ハリオットをはじめ、ガリレオ・ガリレイ、ヨハネス・ファブリキウス、クリストフ・シャイナーらがほぼ同時期に望遠鏡で黒点を観察した。ファブリキウスは1611年、黒点の動きを太陽の自転と結びつけて発表した。1845年にはフィゾーとフーコーが太陽のダゲレオタイプ写真を残し、20世紀に入ると分光観測と磁場測定が、太陽の外見の下に隠れていた物理学を明らかにし始めた。
観測装置が宇宙へ上がると、太陽は静止した写真ではなく、生きて動く星として見え始めた。2006年に打ち上げられた「ひので」の太陽光学望遠鏡は、約0.2秒角の分解能で太陽磁場の細部構造を観察した。2010年に打ち上げられた太陽観測衛星SDOは、複数の紫外線波長で約12秒ごとに太陽全体を撮影している。私たちがよく目にする燃えるような輪や太陽フレア、コロナ質量放出の映像の多くは、この衛星から得られたものだ。
太陽の顔をより近くで見ようとするイカロスの挑戦は続いた。パーカー・ソーラー・プローブは2024年12月、太陽表面からわずか約610万キロメートルの地点まで接近した。当時の速度は時速約69万キロメートルに達した。人類が作った物体の中で最速の速度である。パーカー探査機は太陽の外層大気であるコロナの中に直接入り、プラズマが太陽の重力と磁場から解き放たれて太陽風になる現場を測定している。
しかし、太陽への挑戦がすべて宇宙で行われているわけではない。地上ではパーカー探査機とは全く異なる方法で太陽にアプローチしている。太陽の近くに飛び込むのではなく、望遠鏡の目を極限まで精密にする方法だ。その頂点にある装置が、ハワイ・マウイ島のハレアカラ山頂付近に建設された「ダニエル・K・イノウエ太陽望遠鏡（DKIST）」である。
イノウエ太陽望遠鏡は、主鏡の直径が4メートルに達する世界最大の太陽望遠鏡だ。太陽はすでに十分明るいのに、なぜ巨大な鏡が必要なのだろうか。その核心は明るさではなく分解能にある。望遠鏡が判別できる最小構造のサイズは、観測波長が短いほど、そして鏡の直径が大きいほど小さくなる。4メートルの鏡で青い光に近い416ナノメートルの波長を観測すれば、理論的には太陽表面の約19キロメートルの構造まで識別できるのだ。
太陽を4メートルの鏡で集光すると、別の問題が生じる。望遠鏡の中に入ってくる太陽エネルギーが約13キロワットに達するからだ。この熱をそのまま焦点に集めると、精密な光学機器が損傷する恐れがある。イノウエ望遠鏡は、焦点付近で観測に必要のない光と熱を除去し、11キロメートルを超える冷却配管で望遠鏡内部の温度を管理している。夜間に氷を作っておき、昼間の冷却に利用するシステムも備えた。主鏡を軸からずらした形状に設計することで、光が中央の構造物に遮られたり散乱したりする現象も抑えた。
地上望遠鏡には、大気という障害物もある。空気の温度と密度が絶えず変化すると、光の波面が揺れ、映像がぼやけてしまう。星が瞬くのと同じ原理だ。イノウエ望遠鏡は、1600個のアクチュエーターが付いた変形鏡を用いてこの揺れを補正する。波面センサーが光の歪みを1521箇所で測定すると、制御装置が毎秒2000回、鏡表面の形状を変化させる。大気が映像をぼかすたびに鏡を逆方向に歪ませ、元の像を再現する「補償光学」技術である。
イノウエ望遠鏡は2020年に初観測映像を公開した。当時も顆粒と黒点の細部構造が前例のないほど鮮明に現れたが、今年8月に『ネイチャー』誌で発表された結果は、それよりも一段深く踏み込んだものだった。研究チームは2025年4月14日21時38分から21時41分までの約3分間、観測した結果を分析した。対象は太陽円盤の中心付近にあった活動領域「NOAA 14060」で、強い磁場が集まる小さな暗い構造である「ポア（pore）」が含まれる領域だった。
観測には、416ナノメートルの光のみを通過させる幅0.5ナノメートルの狭帯域フィルターとFastCam装置が使用された。カメラが読み取った領域は太陽表面で約5800×4350キロメートルに相当し、1画素は約6キロメートルだった。露出時間は1枚あたりわずか100マイクロ秒、つまり1万分の1秒である。カメラは1秒間に740枚を撮影した。
とはいえ、1秒間に740枚の原版をそのまま映像としてつなぎ合わせたわけではない。研究チームは、焦点が合った映像と、意図的に少しぼかした映像を同時に撮影した。二つの映像を比較することで、望遠鏡と大気が残した波面の誤差を逆算できる。ここに「多重フレーム・ブラインド・デコンボリューション」という映像復元技術を適用した。補正と検出器の校正を終えた2000枚の原版を合成し、1枚の科学的映像を作成した。そうして得られた最終映像の時間間隔は2.7秒。私たちが目にするのは一般的な意味での生放送ではないが、2.7秒ごとに太陽表面の約19キロメートルの構造を再現した高速連続観測映像なのだ。
まさにこの映像において、これまで見えなかったものが現れた。顆粒と強い磁場がぶつかる境界が、滑らかな線ではなかったのだ。境界の大部分が波打ち、小さな鉤爪や渦が列をなして現れた。まるでゴッホが太い筆で絵の具を巻き込ませたかのように見える。しかし、この模様には名前がある。ケルビン–ヘルムホルツ不安定性だ。
ケルビン–ヘルムホルツ不安定性は、接する二つの流体が異なる速度で流れるときに発生する。境界面に非常に小さな屈曲が生じると、速度差、つまり「せん断」がその屈曲を増幅させる。境界は次第に巻き上がり、波や渦の形状へと発展する。地球上では縞模様の雲や、風が吹く水面で見られ、木星や土星の大気でも巨大な渦構造として現れる。太陽では、流体ではなく磁場を帯びたプラズマが動いているため、磁気流体力学として扱わなければならない。
この現象自体は新しい物理学ではない。ヘルムホルツは1868年、ケルビンは1871年に、異なる速度で流れる流体の不安定性を研究した。チャンドラセカールは1961年、磁場がある流体でこの不安定性がどのように変化するかを体系的にまとめた。太陽のコロナやコロナ質量放出、彩層ジェットでは、ケルビン–ヘルムホルツ不安定性と解釈される構造がすでに観測されたことがある。しかし、太陽の目に見える表面、すなわち光球でこの現象を明確に確認したのは今回が初めてである。特徴的なサイズがあまりにも小さいため、直径2メートル以下の既存の太陽望遠鏡では境界を十分に分解することができなかったからだ。
太陽は毎日同じ姿で昇ってくるが、その表面では、私たちがようやく見え始めたばかりの小さな渦が休むことなく磁場をねじ曲げている。人類がイカロスのよう太陽に向かって近づいた末に見つけたのは、巨大な炎のひとつではなかった。その炎を準備しているかもしれない、数十キロメートル規模の小さな「波」だったのだ。
参考
https://nso.edu/telescopes/inouye-solar-telescope
筆者 チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃、『銀河鉄道999』を見て宇宙の美しさを伝えたいという夢を抱いた。現在は世宗大学自由専攻学部助教授として、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。著書に『天文学者の無用さについて』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などがあり、訳書に『私はどうやって冥王星を殺したか』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などがある。