Loading article…
太陽圏は、太陽の磁気圏、天体圏、そして最外層の大気層から構成されています。それは、尾を持つ巨大な泡のような宇宙空間の領域を形成しています。プラズマ物理学の観点から言えば、太陽が周囲の星間物質の中に形成する空洞です。太陽圏の「泡」は、太陽風と呼ばれる太陽由来のプラズマによって絶えず「膨張」しています。太陽圏の外側では、この太陽プラズマは天の川銀河全体に広がる星間プラズマへと変化します。太陽圏は惑星間磁場の一部として、太陽系を大量の宇宙電離放射線から守っていますが、電荷を持たないガンマ線は影響を受けません。[ 1 ]その名称は、1967年に科学文献でこの言葉を初めて使用したとされるアレクサンダー・J・デッスラーによって造語された可能性が高い。 [ 2 ]太陽圏の科学的研究は太陽物理学であり、宇宙天気と宇宙気候が含まれる。
太陽風は、数十億キロメートルにわたって太陽系を妨げられることなく流れ、冥王星の領域をはるかに超えて広がり、星間物質の外部圧力によって動きが急激に減速する「終端衝撃波」に遭遇します。「ヘリオシース」は、終端衝撃波と太陽圏の最外縁である「ヘリオポーズ」の間の広い遷移領域です。太陽圏の全体的な形状は彗星に似ており、片側はおよそ100天文単位（AU）までほぼ球形ですが、もう片側は「ヘリオテール」と呼ばれる尾状になっており、数千AUにわたって尾を引いています。
2機のボイジャー計画の宇宙船は、終端衝撃波とヘリオシースを通過して、太陽圏の外縁部を探査しました。ボイジャー1号は2012年8月25日にヘリオポーズに遭遇し、その際にプラズマ密度が40倍に急激に増加したことを観測しました。[ 3 ]ボイジャー2号は2018年11月5日にヘリオポーズを通過しました。[ 4 ]ヘリオポーズは太陽由来の物質と銀河の残りの部分由来の物質の境界を示すため、太陽圏を離れる宇宙船（2機のボイジャーなど）は星間空間にあります。
太陽圏は、近傍の超新星爆発や密度の異なる星間物質の通過など、太陽系外の影響を受けており、太陽系の歴史を通じて大きく変化してきました。証拠によると、太陽圏は300万年前に近傍の超新星爆発によって太陽系内側に縮小し、地球が星間物質にさらされたことで（地球の気候や生態系に影響を与えた可能性がある）、太陽系内側にまで縮小したと考えられています。[ 5 ]
その名前とは裏腹に、太陽圏の形状は完全な球形ではありません。[ 6 ]その形状は、星間物質（ISM）、太陽風、そして太陽と太陽圏がISMを通過する際の全体的な運動という3つの要因によって決まります。太陽風とISMはどちらも流体であるため、太陽圏の形状と大きさも流動的です。しかし、太陽風の変化は、短い時間スケール（数時間から数年）での境界の変動位置をより強く変化させます。太陽風の圧力は、特定の場所におけるISMの外部圧力よりもはるかに速く変化します。特に、太陽風活動の明確な極大と極小が見られる11年周期の太陽活動周期の影響は大きいと考えられています。
より広い視点で見ると、太陽圏が星間物質（ISM）という流体媒体の中を移動することで、全体として彗星のような形状が形成されます。太陽風プラズマは、おおよそ「上流」（銀河内を移動する太陽と同じ方向）に移動するにつれて圧縮され、ほぼ球形になります。一方、「下流」（太陽の動きとは逆方向）に移動するプラズマは、ISMに流れ込む前に遥かに長い距離を流れ、太陽尾と呼ばれる長く尾を引く形状を形成します。
利用可能なデータが限られていることと、これらの構造が未解明であることから、その形状については多くの理論が提唱されている。[ 7 ] 2020年、メラブ・オファーは、太陽圏の形状が三日月形[ 8 ]であり、しぼんだクロワッサンと表現できると結論付けた研究チームを率いた。[ 9 ] [ 10 ]
太陽風は、太陽コロナからのイオン化原子などの粒子と、太陽から生成され宇宙空間に流れ出す磁場などの場から構成されています。太陽は約25日ごとに1回転するため、太陽風によって運ばれる太陽圏磁場[ 11 ]は螺旋状に巻き込まれます。太陽風は太陽系の他の多くのシステムに影響を与えます。例えば、太陽自身の磁場の変動は太陽風によって外側に運ばれ、地球の磁気圏で地磁気嵐を引き起こします。
太陽圏電流シートは、太陽の回転する磁場によって太陽圏に生じる波紋です。これは、反対の極性を持つ太陽圏磁場領域の境界を示しています。太陽圏全体に広がる太陽圏電流シートは、太陽系で最大の構造物と考えられており、「バレリーナのスカート」に似ていると言われています。[ 12 ]
太陽圏の外層構造は、太陽風と星間空間の風との相互作用によって決定されます。太陽風は、地球近傍では数百km/sの速度で太陽からあらゆる方向に流れ出ています。太陽からある程度離れた、海王星の軌道のはるか彼方では、この超音速の風は星間空間のガスに遭遇して減速します。この減速はいくつかの段階を経て起こります。
終端衝撃波は、太陽風が局所的な星間物質との相互作用により亜音速（太陽に対して）まで減速する太陽圏の地点です。これにより、圧縮、加熱、および磁場の変化が生じます。太陽系では、終端衝撃波は太陽から75 ～ 90天文単位[ 17 ]の距離にあると考えられています。2004 年にボイジャー 1 号が太陽の終端衝撃波を通過し、 2007 年にボイジャー 2 号がそれに続きました。 [ 3 ] [ 6 ] [ 18 ] [ 19 ]
衝撃波が発生するのは、太陽風粒子が太陽から約400 km/sの速度で放出されるのに対し、星間物質中の音速は約100 km/sであるためです。正確な速度は密度に依存し、密度は大きく変動します。星間物質は密度が非常に低いにもかかわらず、比較的一定の圧力を持っています。太陽風による圧力は、太陽からの距離の2乗に反比例して減少します。太陽から十分に遠ざかると、太陽風の圧力は低下し、星間物質の圧力に逆らって超音速を維持できなくなります。この時点で太陽風は音速以下に減速し、衝撃波が発生します。太陽からさらに遠ざかると、終端衝撃波の後にヘリオポーズが現れ、そこで2つの圧力が等しくなり、太陽風粒子は星間物質によって停止します。
地球上のシステムでも、他の終端衝撃波を観察できます。おそらく最も簡単な例は、蛇口から水を流し込んで水理ジャンプを起こすことです。水がシンクの底に当たると、流れた水は局所的な波の速度よりも速い速度で広がり、浅く急速に発散する円盤状の流れを形成します（希薄で超音速の太陽風に相当）。円盤の周囲には、衝撃波面または水の壁が形成されます。衝撃波面の外側では、水は局所的な波の速度よりも遅い速度で流れます（亜音速の星間物質に相当）。
2005 年 5 月に開催された米国地球物理学連合の会議でエド・ストーンが発表した証拠によると、ボイジャー 1号は、太陽から約 94 AU の距離にあった 2004 年 12 月に、同機から得られた磁気測定値の変化により、終結衝撃波面を通過したとされています。一方、ボイジャー 2 号は、2006 年 5 月に太陽からわずか 76 AU の距離にあったときに、帰還粒子を検出し始めました。これは、太陽圏が不規則な形状をしており、太陽の北半球では外側に膨らみ、南半球では内側に押し込まれている可能性があることを示唆しています。[ 20 ]
太陽圏の終端衝撃波の外側の領域がヘリオシースです。ここでは、太陽風は星間物質との相互作用により減速、圧縮され、乱流になります。最も近い地点では、ヘリオシースの内縁は太陽から約 80 ～ 100 AUの距離にあります。提案されているモデルでは、ヘリオシースは彗星のコマのような形をしており、宇宙空間における太陽の経路とは反対方向にその数倍の距離にわたって伸びていると仮定しています。風上側では、その厚さは 10 ～ 100 AU と推定されています。[ 22 ]ボイジャー計画の科学者たちは、ヘリオシースは「滑らか」ではなく、それぞれ約 1 AU の幅の磁気バブルで満たされた「泡状領域」であると決定しました。[ 15 ]これらの磁気バブルは、太陽風と星間物質の衝突によって生成されます。[ 23 ] [ 24 ]ボイジャー1号とボイジャー2号は、それぞれ2007年と2008年にバブルの証拠を検出し始めた。おそらくソーセージ状のバブルは、太陽風が減速するにつれて、太陽磁場の反対方向のセクター間の磁気再結合によって形成される。これらは、惑星間磁場から分離した自己完結型の構造を表していると考えられる。
約 113 AU の距離で、ボイジャー 1 号は太陽圏外縁部の「停滞領域」を検出した。[ 25 ]この領域では、太陽風はゼロに減速し、[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]磁場強度は 2 倍になり、銀河からの高エネルギー電子は 100 倍に増加した。約 122 AU で、探査機はボイジャー計画の科学者が「磁気ハイウェイ」と呼んだ新しい領域に入った。この領域は依然として太陽の影響下にあるが、いくつかの劇的な違いがある。[ 30 ]
太陽圏界面は、太陽風が星間物質によって阻止される理論上の境界であり、太陽風が周囲の恒星の恒星風を押し返すほど強くなくなる境界です。ここは、星間物質と太陽風の圧力が釣り合う境界です。太陽圏界面を通過すると、太陽風荷電粒子の温度が急激に低下し[ 27 ] 、磁場の方向が変化し、銀河宇宙線の数が増加します[ 31 ]。
2012 年 5 月、ボイジャー 1 号は、このような宇宙線の急激な増加 (2009 年 1 月から 2012 年 1 月にかけての 25% の緩やかな増加に続き、1 か月で 9% の増加) を検出し、太陽界面に近づいていることを示唆しました。[ 31 ] 2012 年 8 月下旬から 9 月上旬にかけて、ボイジャー 1 号は、太陽からの陽子の急激な減少を観測しました。8 月下旬には毎秒 25 個の粒子でしたが、10 月上旬には毎秒約 2 個の粒子になりました。[ 32 ] 2013 年 9 月、NASA は、ボイジャー 1 号が 2012 年 8 月 25 日時点で太陽界面を通過したと発表しました。[ 33 ]これは、太陽から121 AU (1.81 × 10 10 km)の距離でした。 [ 34 ]予測に反して、ボイジャー1号のデータは、銀河の磁場が太陽の磁場と一致していることを示している。[ 35 ]
2018年11月5日、ボイジャー2号ミッションは低エネルギーイオンのフラックスの急激な減少を検出した。同時に、宇宙線のレベルが増加した。これは、探査機が太陽から119 AU（1.78 × 10 10 km）の距離でヘリオポーズを通過したことを示している。ボイジャー1号とは異なり、ボイジャー2号探査機はヘリオシースを通過する際に星間フラックスチューブを検出しなかった。 [ 36 ]
NASAは2021年の準軌道SHIELDSミッション中に太陽圏界面からデータを遠隔的に収集した。[ 37 ]
ヘリオテイルは、太陽圏の数千天文単位の長さの尾であり、 [ 5 ]太陽系の尾とも呼ばれます。彗星の尾に例えることができます（ただし、彗星の尾は移動中に後ろに伸びることはなく、常に太陽から遠ざかる方向を向いています）。尾は、太陽風が減速し、最終的に太陽圏から脱出し、電荷交換によってゆっくりと蒸発する領域です。[ 38 ] ヘリオテイルの形状は（NASAの星間境界探査機IBEXによって発見されたように）四つ葉のクローバーの形をしています。[ 39 ]尾の粒子は光らないため、従来の光学機器では見ることができません。IBEXは、太陽系の境界領域での衝突によって生成された中性粒子である「高エネルギー中性原子」のエネルギーを測定することによって、ヘリオテイルの最初の観測を行いました。[ 39 ]
尾部には高速粒子と低速粒子が含まれていることが分かっており、低速粒子は側面に、高速粒子は中央部に集中している。尾部の形状は、近年太陽が極付近で高速の太陽風を、赤道付近で低速の太陽風を放出していることと関連していると考えられる。クローバー型の尾部は太陽から遠ざかるにつれて、荷電粒子の向きが変化し始める。
カッシーニとIBEXのデータは2009年に「ヘリオテイル」理論に異議を唱えた。 [ 13 ] [ 14 ] 2013年7月、IBEXの結果は太陽系の太陽圏に4つの葉を持つ尾があることを明らかにした。 [ 40 ]
太陽圏界面は、太陽圏と星間空間との間の既知の最終境界であり、地球自身の恒星である太陽からではなく、他の恒星からの物質、特にプラズマで満たされている。[ 42 ]それでも、太陽圏のすぐ外側（つまり「太陽バブル」）には、ボイジャー1号によって検出された遷移領域が存在する。[ 43 ] 2004年にはすでに星間圧力が検出されたのと同様に、太陽の物質の一部が星間物質に浸透している。[ 43 ]太陽圏は、天の川銀河のオリオン腕にある領域であるローカルバブル内のローカル星間雲に存在すると考えられている。
太陽圏外ではプラズマ密度が40倍に増加する。[ 43 ]また、太陽からの特定の種類の粒子の検出が大幅に減少し、銀河宇宙線が大幅に増加する。[ 44 ]
2013年時点で、少なくとも11種類の宇宙船によって、太陽圏への星間物質（ISM）の流れが測定されている。 [ 45 ] 2013年までに、流れの方向が時間とともに変化したと推測されていた。[ 45 ]地球から見てさそり座の方向から来る流れは、1970年代以降、おそらく数度方向が変わったと考えられる。[ 45 ]
高温の水素領域であると予測されている「水素の壁」と呼ばれる構造は、バウショックとヘリオポーズの間にある可能性がある。[ 46 ]この壁は、太陽圏の端と相互作用する星間物質で構成されている。2013年に発表された論文では、バウ波と水素の壁の概念が研究された。[ 47 ]
別の仮説では、太陽の銀河内を公転する太陽の軌道に面した太陽系の側では、ヘリオポーズが小さくなる可能性があると示唆されています。また、現在の太陽風の速度や星間物質の局所的な密度によっても変化する可能性があります。ヘリオポーズは海王星の軌道のはるか外側にあることが知られています。ボイジャー 1号と2号のミッションは、終端衝撃波、ヘリオシース、ヘリオポーズを見つけて研究することです。一方、IBEXミッションは、2008年の打ち上げから2年以内に地球軌道からヘリオポーズを撮影しようとしています。IBEXからの初期の結果（2009年10月）は、これまでの想定がヘリオポーズの真の複雑さを十分に認識していないことを示唆しています。[ 48 ]
2018年8月、ニューホライズンズ探査機による水素壁に関する長期研究により、1992年に2機のボイジャー探査機によって初めて検出された結果が確認された。[ 49 ] [ 50 ]水素は（別の光源から来ている可能性のある）余分な紫外線によって検出されるが、ニューホライズンズによる検出は、ボイジャーによる以前の検出をはるかに高い感度で裏付けている。[ 51 ]
太陽が星間物質内を移動する際に「衝撃波」を発生させるという仮説が長らく立てられてきた。これは、太陽風が太陽から超音速で「遠ざかる」ため、星間物質が太陽に向かって超音速で移動している場合に発生する。星間風が太陽圏に衝突すると減速し、乱流領域が生成される。バウショックは約 230 AU で発生する可能性があると考えられていたが、[ 17 ] 2012 年に、おそらく存在しないと判断された。[ 16 ]この結論は、新しい測定結果によるものである。太陽に対する LISM (局所星間物質) の速度は、以前はUlysses によって 26.3 km/sと測定されていたが、IBEX では 23.2 km/s と測定された。[ 52 ]
この現象は、NASAが運用を終了した軌道望遠鏡GALEXによって、太陽系外の太陽以外の恒星の周囲でも観測されている。くじら座の赤色巨星ミラは、恒星から噴出した物質の尾と、宇宙空間を移動する方向（秒速130キロメートル以上）に沿った明確な衝撃波の両方を持っていることが示されている。
太陽圏界面までの正確な距離と形状は依然として不明です。パイオニア10号、パイオニア11号、ニューホライズンズなどの惑星間・恒星間探査機は太陽系を外側に向かって航行しており、いずれ太陽圏界面を通過します。パイオニア10号と11号との通信は途絶えています。
カッシーニ探査機のイオン・中性粒子カメラ（MIMI/INCA）のデータによると、太陽圏は彗星のような形ではなく、泡のような形をしているように見える。INCA（ ENA）マップは、太陽風と星間物質の衝突が支配的であるのではなく、相互作用は粒子圧力と磁場エネルギー密度によってより制御されていることを示唆している。[ 13 ] [ 53 ]
2008 年 10 月に打ち上げられた星間境界探査機(IBEX)の初期データ[ 54 ]は、これまで予測されていなかった「空の他のどの天体よりも 2 ～ 3 倍明るい非常に細いリボン」を明らかにし、現在ではIBEX リボンとして知られています。[ 14 ]初期の解釈では、「星間環境は、これまで誰も考えていたよりもはるかに太陽圏の構造に影響を与えている」ことが示唆されています[ 55 ] 「ENA (高エネルギー中性原子) リボンを生成しているものは誰も知りません...」[ 56 ]
「IBEXの結果は本当に驚くべきものです！これらのマップで見られるものは、この領域のこれまでの理論モデルのどれとも一致しません。科学者がこれらの（ENA）マップを見直し、太陽圏と銀河との相互作用についての理解を改めることは刺激的なことでしょう。」[ 57 ] 2010年10月、2回目のIBEX観測に基づき、6か月後にリボンに大きな変化が検出されました。[ 58 ] IBEXデータはバウショックの存在を支持しませんでしたが、[ 16 ]ある研究によると「バウウェーブ」が存在する可能性があります。[ 47 ]
太陽圏に関連するデータを収集してきた、あるいは現在も収集し続けているミッションの例としては、以下のようなものがある。
皆既日食の間は、高温のコロナを地球上の太陽観測所からより容易に観測できる。アポロ計画では、太陽風組成実験装置（SOWCE）を用いて月面で太陽風が測定された。地球表面に設置された太陽観測所の例としては、マクマス・ピアース太陽望遠鏡や、より新しいグレゴール太陽望遠鏡、改修されたビッグベア太陽観測所などが挙げられる。
太陽圏とは、太陽の影響下にある領域のことです。その境界を決定する主要な要素は、太陽圏磁場と太陽からの太陽風の2つです。太陽圏の始まりから境界までの主要な3つのセクションは、終端衝撃波、太陽鞘、太陽圏界面です。パイオニア10号（1972～1997年、67天文単位までのデータ）、パイオニア11号（1973～1995年、44天文単位）、ボイジャー1号とボイジャー2号（1977年打ち上げ、現在も運用中）、ニューホライズンズ（2006年打ち上げ）など、5機の宇宙船が太陽圏の最遠部に関する多くのデータを送り返してきました。また、高エネルギー中性原子（ENA）と呼ばれる粒子が、太陽圏の境界から生成されていることも観測されています。
惑星や彗星などの障害物付近の領域を除いて、太陽圏は太陽から放出される物質が支配的であるが、宇宙線、高速で移動する中性原子、宇宙塵は外部から太陽圏に侵入することができる。コロナの極めて高温の表面から発生した太陽風粒子は脱出速度に達し、300～800 km/s (671～179万マイル/時、または1～290万 km/時) の速度で外向きに流れ出す。[ 59 ]太陽風が星間物質と相互作用し始めると、その速度は減速して停止する。太陽風の速度が音速より遅くなる地点は終端衝撃波と呼ばれ、太陽風はヘリオシースを通過するにつれて減速し続け、星間物質と太陽風の圧力が釣り合うヘリオポーズと呼ばれる境界に達する。終端衝撃波は、2004年にボイジャー1号[ 30 ]、2007年にボイジャー2号[ 6 ]によって通過された。
太陽圏界面の向こう側にはバウショックが存在すると考えられていたが、星間境界探査機のデータによると、星間物質を通過する太陽の速度はバウショックを形成するには低すぎることが示唆された。[ 16 ]より穏やかな「バウウェーブ」である可能性もある。[ 47 ]
ボイジャーのデータから、太陽圏外縁部には「磁気バブル」と停滞域が存在するという新たな理論が生まれた。[ 25 ] [ 60 ]また、 2010年にボイジャー1号によって検出された、太陽圏外縁部内の「停滞領域」が約113 au (1.69 × 10 10 km; 1.05 × 10 10 mi)付近から始まるという報告もあった。 [ 25 ]そこでは、太陽風の速度がゼロになり、磁場強度が2倍になり、銀河からの高エネルギー電子が100倍に増加する。[ 25 ]
2012年5月、 120天文単位（1.8 × 10 10 km、1.1 × 10 10 mi）で、ボイジャー1号は宇宙線の急激な増加を検出し、これは太陽圏界面への接近の明らかな兆候であった。[ 31 ] 2013年の夏、NASAはボイジャー1号が2012年8月25日に星間空間に到達したと発表した。 [ 33 ]
2012年12月、NASAは、 2012年8月下旬にボイジャー1号が太陽から約122天文単位（1.83 × 10¹⁰ km、1.13 × 10¹⁰ mi）の距離にある「磁気ハイウェイ」と呼ばれる新しい領域に入ったと発表した。この領域は依然として太陽の影響下にあるが、いくつかの劇的な違いがある。[ 30 ]
パイオニア10号は1972年3月に打ち上げられ、10時間以内に月を通過しました。その後35年ほどの間、このミッションは太陽圏の性質や木星が太陽圏に与える影響について多くの発見を初めて明らかにした最初のミッションとなりました。 [ 61 ]パイオニア10号は、太陽風中のナトリウムイオンとアルミニウムイオン、そして太陽系内側のヘリウムを検出した最初の宇宙船でした。 [ 61 ] 1972年11月、パイオニア10号は木星の巨大な（地球と比較して）磁気圏に遭遇し、太陽風との相互作用を記録するために、磁気圏と太陽圏を17回通過しました。 [ 61 ]パイオニア10号は、約67天文単位までの太陽風のデータを含む科学データを1997年3月まで送信しました。 [ 62 ] 2003年にも地球から76億マイル（82AU）の距離で接触があったが、その時は太陽風に関する機器データは返送されなかった。 [ 63 ] [ 64 ]
ボイジャー1号は、1998年2月17日にパイオニア10号の太陽からの半径距離69.4 AUを上回りました。これは、ボイジャー1号の方が速く移動し、年間約1.02 AUずつ進んでいたためです。[ 65 ] 2023年7月18日、ボイジャー2号は、太陽から2番目に遠い人工物としてパイオニア10号を追い抜きました。 [ 66 ]パイオニア10号の1年後に打ち上げられたパイオニア11号は、1995年にミッションが終了した時点で、パイオニアと同様のデータを44.7 AUまで取得しました。[ 64 ]パイオニア11号は、10号と同様の機器群を備えていましたが、フラックスゲート磁力計も搭載していました。[ 65 ]パイオニアとボイジャーの宇宙船は異なる軌道を描いていたため、太陽圏のデータを太陽から異なる方向で記録しました。[ 64 ]パイオニアとボイジャー探査機から得られたデータは、水素壁の検出を裏付けるのに役立った。[ 67 ]
2012年にボイジャー1号が太陽圏界面を通過したと考えられており、 2018年にはボイジャー2号も同様に太陽圏界面を通過したと考えられている。 [ 68 ] [ 69 ]
双子のボイジャーは、星間空間に突入した唯一の人工物です。しかし、太陽圏は離れましたが、オールトの雲の外縁と考えられている太陽系の境界からはまだ離れていません。[ 69 ]太陽圏界面を通過すると、ボイジャー2号のプラズマ科学実験装置（PLS）は11月5日に太陽風粒子の速度が急激に低下するのを観測し、それ以降はそのような兆候は見られません。宇宙線、低エネルギー荷電粒子、磁場を測定する搭載機器3つもこの遷移を記録しました。[ 70 ]これらの観測は、NASAのIBEXミッションからのデータを補完するものです。2025年、NASAはボイジャーの観測を活用するために星間マッピング加速プローブ（IMAP）を打ち上げました。[ 69 ]
のブラックブラントIX観測ロケットは、ペイロードを高度177マイルまで運び、パラシュートで降下してホワイトサンズに着陸した。予備的な兆候によると、機体システムは計画通りに動作し、データが受信された。
