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恒星磁場は、恒星内部の導電性プラズマの運動によって生成される磁場です。この運動は対流によって生じ、対流とは物質の物理的な移動を伴うエネルギー輸送の一形態です。局所的な磁場はプラズマに力を及ぼし、密度の増加を伴わずに圧力を効果的に増加させます。その結果、磁化された領域はプラズマの残りの部分に対して上昇し、恒星の光球に達します。これにより、表面に星黒点と、それに関連するコロナループ現象が生成されます。[ 1 ]
星の磁場はゼーマン効果を用いて測定できます。通常、星の大気中の原子は電磁スペクトルの特定の周波数のエネルギーを吸収し、スペクトルに特徴的な暗い吸収線を生成します。しかし、原子が磁場内にある場合、これらの線は複数の密接に並んだ線に分裂します。また、エネルギーは磁場の向きに応じて偏光します。したがって、ゼーマン効果の線を調べることで、星の磁場の強さと方向を決定できます。[ 2 ] [ 3 ]
恒星分光偏光計は、恒星の磁場を測定するために使用されます。この装置は、分光器と偏光計を組み合わせたものです。恒星磁場の研究に特化した最初の装置は、フランスのピレネー山脈のピク・デュ・ミディ・ド・ビゴールにあるベルナール・リオ望遠鏡に搭載されたNARVALでした。[ 4 ]
過去 150 年間の磁力計測定[ 5 ] 、樹木の年輪中の14 C 、氷床コア中の10 Be [ 6 ]など、さまざまな測定により、太陽の磁気変動が 10 年、100 年、1000 年スケールで大きく変動することが確認されています。[ 7 ]
太陽ダイナモ理論によれば、恒星の磁場は恒星の対流層内で発生する。導電性プラズマの対流循環はダイナモのように機能する。この活動によって恒星の原始磁場が破壊され、双極子磁場が生成される。恒星が様々な緯度で異なる速度で回転する差動回転を行うと、磁場は「磁束ロープ」と呼ばれる環状磁場に巻き込まれ、恒星の周囲に巻き付く。磁場は高度に集中し、表面に現れると活動を引き起こすことがある。[ 8 ]
導電性の気体または液体の回転体の磁場は、差動回転（物体の各部分の角速度の違い）、コリオリ力、および誘導の組み合わせにより、自己増幅電流、ひいては自己生成磁場を発生させます。電流の分布は、多数の開ループと閉ループが存在するため非常に複雑になり、そのため、これらの電流の近傍の磁場もかなりねじれています。しかし、遠距離では、反対方向に流れる電流の磁場は相殺され、正味の双極子磁場のみが残り、距離とともに徐々に減少します。主要な電流は導電性質量の運動方向（赤道電流）に流れるため、生成される磁場の主要成分は赤道電流ループの双極子磁場となり、回転体の地理的な極付近に磁極が生成されます。
すべての天体の磁場は、多くの場合、自転方向と一致しているが、特定のパルサーなどの顕著な例外もある。
このダイナモモデルのもう一つの特徴は、電流が直流ではなく交流であることです。電流の方向、ひいては電流によって生成される磁場の方向は、振幅が変化し、方向が反転するなど、ほぼ周期的に変化しますが、それでも回転軸とはほぼ一致しています。
太陽の磁場の主要成分は11年ごとに方向を反転します（周期は約22年）。その結果、反転時期が近づくと磁場の強度が低下します。この休止期には、プラズマに対する磁気ブレーキが効かないため、黒点活動が最大となり、その結果、高エネルギーのプラズマが太陽コロナや惑星間空間に大量に放出されます。反対方向の磁場を持つ近隣の黒点同士の衝突により、磁場が急速に消失する領域付近に強い電場が発生します。この電場は電子と陽子を高エネルギー（キロ電子ボルト）まで加速し、その結果、極めて高温のプラズマのジェットが太陽表面から噴出し、コロナプラズマを高温（数百万ケルビン）まで加熱します。
気体や液体の粘性が非常に高い場合（乱流による差動運動が生じる場合）、磁場の反転は必ずしも周期的ではない。地球の磁場はまさにこのケースに当てはまり、粘性の高い外核における乱流によって生成される。
黒点は、恒星の表面にある強い磁気活動の領域です。（太陽では、黒点と呼ばれます。）これらは、恒星の対流層内に形成される磁束管の目に見える構成要素です。恒星の差動回転により、磁束管は巻き上がって引き伸ばされ、対流が阻害され、通常よりも低い温度の領域が生成されます。[ 9 ]コロナループは、恒星コロナに伸びる磁力線から形成されることが多く、黒点の上方によく形成されます。これらは、コロナを100万ケルビンを超える温度に加熱する役割を果たします。[ 10 ]
黒点やコロナループに関連する磁場は、フレア活動やそれに伴うコロナ質量放出と関連している。プラズマは数千万ケルビンまで加熱され、粒子は星の表面から極めて高速で加速される。[ 11 ]
表面活動は、主系列星の年齢と自転速度に関係しているようです。自転速度の速い若い星は活発な活動を示します。対照的に、自転速度の遅い中年の太陽のような星は、周期的に変動する低いレベルの活動を示します。一部の古い星はほとんど活動を示しませんが、これは太陽のマウンダー極小期に匹敵する小休止期に入ったことを意味する可能性があります。恒星活動の時間的変動の測定は、星の差動自転速度を決定するのに役立ちます。[ 12 ]
磁場を持つ恒星は、周囲の宇宙空間に広がる磁気圏を生成します。この磁場からの磁力線は、恒星の一方の磁極から始まり、もう一方の磁極で終わり、閉じたループを形成します。磁気圏には、恒星風から捕捉された荷電粒子が含まれており、これらの粒子は磁力線に沿って移動します。恒星が回転すると、磁気圏も一緒に回転し、荷電粒子を引きずりながら移動します。[ 13 ]
恒星が光球から恒星風によって物質を放出すると、磁気圏は放出された物質にトルクを発生させます。これにより、恒星から周囲の空間へ角運動量が伝達され、恒星の自転速度が減速します。高速回転する恒星は質量損失率が高く、その結果、運動量の損失も速くなります。自転速度が遅くなると、角減速も遅くなります。このようにして、恒星は徐々に自転ゼロの状態に近づきますが、完全にゼロに達することはありません。[ 14 ]
Tタウリ星は、重力収縮によって加熱されている前主系列星の一種で、中心部ではまだ水素燃焼が始まっていません。これらは磁気的に活発な変光星です。これらの星の磁場は、強い恒星風と相互作用し、角運動量を周囲の原始惑星系円盤に伝達すると考えられています。これにより、星は収縮しながら自転速度を減速させることができます。[ 15 ]
質量が太陽の0.1～0.6倍の小型M型星で、急速かつ不規則な変動を示すものはフレア星として知られています。これらの変動はフレアによって引き起こされると考えられていますが、その活動は星の大きさに比べてはるかに強いものです。この種の星のフレアは円周の最大20%まで広がり、スペクトルの青色および紫外線領域でエネルギーの大部分を放射します。[ 16 ]
核融合を起こす恒星と水素融合を起こさない褐色矮星の境界に位置するのが超低温矮星である。これらの天体は強い磁場を持つため電波を放出する。これらの天体の約 5〜10% の磁場が測定されている。[ 17 ] これらの天体の中で最も低温の 2MASS J10475385+2124234 は温度が 800〜900 K であり、1.7 kG を超える磁場を保持しており、地球の磁場の約 3000 倍の強さである。[ 18 ]電波観測によると、これらの天体の磁場は太陽の周期 と同様に周期的に向きを変えている。[ 19 ]
惑星状星雲は、赤色巨星が外層を放出し、膨張するガス殻を形成するときに生成されます。しかし、これらの殻が常に球対称ではない理由は謎のままです。惑星状星雲の 80% は球形ではなく、双極星雲または楕円星雲を形成します。非球形形成の仮説の 1 つは、星の磁場の影響です。放出されたプラズマは、すべての方向に均等に膨張するのではなく、磁極を通って放出される傾向があります。少なくとも 4 つの惑星状星雲の中心星の観測により、それらが実際に強力な磁場を持っていることが確認されています。[ 20 ]
巨大な恒星が核融合反応を停止すると、その質量の一部が崩壊して中性子のコンパクトな塊、すなわち中性子星となる。これらの塊は元の恒星から受け継いだ強い磁場を保持しているが、崩壊によって磁場の強度が劇的に増大する。こうした崩壊した中性子星が高速回転することでパルサーが形成され、周期的に観測者の方向を向く細いエネルギービームを放出する。
コンパクトで高速回転する天体（白色矮星、中性子星、ブラックホール）は、極めて強い磁場を持っています。生まれたばかりの高速回転する中性子星の磁場は非常に強く（最大10⁸テスラ）、電磁的に放射されるエネルギーは、数百万年という短期間で星の自転速度を100～1000分の1にまで急速に減速させます。中性子星に落下する物質も磁力線に沿って移動するため、表面に2つのホットスポットが生じ、そこで物質が星の表面に到達して衝突します。これらのスポットは、文字通り数フィート（約1メートル）ほどの大きさですが、非常に明るく輝いています。星の自転中にこれらのスポットが周期的に食を起こすことが、脈動放射（パルサーを参照）の原因であると仮説が立てられています。
磁化された中性子星の極端な形態はマグネターである。これらは中心核崩壊型超新星の結果として形成される。[ 21 ]このような星の存在は、1998年に星SGR 1806-20の測定によって確認された。この星の磁場は表面温度を1800万Kまで上昇させ、ガンマ線バースト で膨大な量のエネルギーを放出する。[ 22 ]
非常に若い銀河の中心にある活動的なブラックホールの磁極の方向に沿って、相対論的プラズマのジェットがしばしば観測される。
2008年、天文学者チームは、恒星HD 189733 Aを周回する系外惑星が軌道上の特定の位置に達すると、恒星のフレアが増加することを初めて報告した。2010年、別のチームは、系外惑星を軌道上の特定の位置で観測するたびに、 X線フレアも検出したことを発見した。2000年以降の理論研究では、周回する恒星に非常に近い系外惑星は、磁場の相互作用、または潮汐力によってフレアが増加する可能性があると示唆されていた。2019年、天文学者たちは、アレシボ天文台、MOST、自動光電望遠鏡からのデータと、電波、可視光、紫外線、X線波長での恒星の過去の観測データを組み合わせて、これらの主張を検証した。彼らの分析によると、以前の主張は誇張されており、主星は恒星フレアや太陽活動領域（黒点を含む）に関連する明るさやスペクトル特性の多くを示していないことが判明した。また、多くの恒星フレアは系外惑星の位置に関係なく観測されるため、以前の主張は統計分析に耐えられないことも判明し、以前の主張は否定された。主星と系外惑星の磁場は相互作用せず、この系はもはや「恒星と惑星の相互作用」があるとは考えられていない。[ 23 ]