Theoretical and observational studies of the driving mechanism of the solar wind

• Project/Area Number: 19J00567
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 庄田 宗人 国立天文台, 太陽観測科学プロジェクト, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2019: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 太陽風 / プラズマ乱流 / 恒星X線放射 / 恒星紫外線放射 / 磁気流体数値計算 / 恒星風 / 太陽コロナ加熱 / 恒星進化論 / 磁気流体乱流 / コロナ加熱 / 恒星進化

Outline of Research at the Start

地球や惑星は太陽から常に多大な影響を受けている。太陽からは電磁波だけでなく超音速のプラズマ流が恒常的に惑星に吹き付けられ、これを太陽風と呼ぶ。特に近年では太陽風が地球や惑星の居住環境に及ぼす影響が幅広く議論されている。太陽風が強すぎると地球の磁気圏が圧縮され、大気の流出や高エネルギー放射線の流入に繋がりかねない。生物がなぜ地球に居住できるか理解するためには、太陽風がどのようなメカニズムで駆動され、どのような歴史を経てきたか理解しなければならない。このような研究背景のもと、研究代表者はスーパーコンピュータによる大規模シミュレーションや最新探査機の観測結果を用いて太陽風の駆動メカニズムに迫る。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は1.最新太陽風観測データ解釈に向けた大規模数値シミュレーション、2.太陽型星のXUV放射モデリングの二つの研究課題に取り組んだ。
NASAの新太陽風探査機Parker Solar Probeの驚くべき初期成果の一つが局所的磁気反転現象（磁気スイッチバック）の発見である。磁気スイッチバックはプラズマの性質上不安定な磁気構造を持っており、何故そのような構造が太陽風中に普遍的に存在できるか、その理論的解釈が求められた。私はこれまでの数値計算の実績を活かし、観測された太陽風を数値計算で再現することで磁気スイッチバックの形成メカニズムの理解に挑戦した。シミュレーションの結果、プラズマの波動（アルベーン波）が非線形的に成長することで自然と磁気スイッチバックが形成されることを示した。これは一見不安定に見える磁気スイッチバックは非線形段階まで視点を広げれば実は自然な構造であることを意味し、磁気スイッチバックの理解に大きなインパクトを与えた。
第二の課題として取り組んだ太陽型星のXUV放射は近年系外惑星研究において非常に重要視されている。太陽のような恒星（小質量主系列星）は強いX線、紫外線（両者合わせてXUV）を放っており、それらは惑星大気の成長、散逸、さらに惑星の居住可能性そのものに中心的な影響を与える。ところが恒星XUV放射（特に極端紫外線放射）は直接観測することが原理的にほぼ不可能であり、その特性を知るためには経験則を用いるしかなかった。そこで私は太陽XUV放射を第一原理的に再現できるような理論モデルを構築し、さらにそれを一般の恒星へと応用することで恒星XUV放射に関する普遍的スケーリング則を導出した。これを用いることで、観測可能量であるX線放射から観測不能量である極端紫外線放射を理論的に推定することが可能となり、今後の系外惑星研究に大きなインパクトを与えると期待される。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Center for Astrophysics/University of Colorado(米国)
• [Int'l Joint Research] CEA-Saclay/IRAP(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Exeter(英国)
• [Int'l Joint Research] Trinity College Dublin(アイルランド)
• [Journal Article] Turbulent Generation of Magnetic Switchbacks in the Alfvenic Solar Wind (2021)
  • Author(s): Shoda Munehito、Chandran Benjamin D. G.、Cranmer Steven R.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 915 Issue: 1 Pages: 52-52
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abfdbc
• [Journal Article] Corona and XUV emission modelling of the Sun and Sun-like stars (2021)
  • Author(s): Shoda Munehito、Takasao Shinsuke
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 656 Pages: A111-A111
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202141563
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Alfven-wave-driven Magnetic Rotator Winds from Low-mass Stars. I. Rotation Dependences of Magnetic Braking and Mass-loss Rate (2020)
  • Author(s): Shoda Munehito、Suzuki Takeru K.、Matt Sean P.、Cranmer Steven R.、Vidotto Aline A.、Strugarek Antoine、See Victor、Reville Victor、Finley Adam J.、Brun Allan Sacha
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 896 Issue: 2 Pages: 123-123
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab94bf
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional Simulation of the Fast Solar Wind Driven by Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence (2019)
  • Author(s): Shoda Munehito、Suzuki Takeru Ken、Asgari-Targhi Mahboubeh、Yokoyama Takaaki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 880 Issue: 1 Pages: L2-L2
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab2b45
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 太陽風研究：PSP, SOから次世代IPS観測へ (2022)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 太陽研究者連絡会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] IPS観測を用いた太陽風モデルの検証 (2022)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 日本天文学会春季年会
• [Presentation] Direct numerical simulations of MHD turbulence in the solar wind (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: High-Energy Density Sciences (HEDS) 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Direct numerical simulation of the Alfvenic solar wind: a theoretical origin of magnetic switchback (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: Japan Geoscience Union (JpGU) meeting 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Turbulent generation of magnetic switchbacks in the Alfvenic solar wind (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: Parker One conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Parametric decay instability of Alfven wave and its role in the solar wind acceleration (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: The Royal Astronomical Society's National Astronomy Meeting (NAM) 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Solar wind in time: rotation dependence of the stellar wind properties (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Turbulent generation of magnetic switchbacks in the Alfvenic solar wind (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: Joint Scientific Assembly IAGA-IASPEI 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Seeking the origin of magnetic switchbacks and the acceleration mechanism of the solar wind (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: AAPPS Division of Plasma Physics (DPP) conference 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct numerical simulation of the solar wind and its application to stellar wind (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: The 30th International Toki Conference on Plasma & Fusion Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Modeling the corona and XUV emission of the Sun and Sun-like stars (2021)
  • Author(s): Munehito Shoda
  • Organizer: American Geophysical Union fall meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 太陽・太陽型星のXUV放射モデリング：光蒸発理論の発展に向けて (2021)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 日本天文学会秋季年会
• [Presentation] 太陽風シミュレーション：物理ベースの宇宙天気予報に向けて (2021)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）講演会
  • Invited
• [Presentation] 太陽風乱流の未解決問題 (2021)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会
  • Invited
• [Presentation] 太陽型星のXUV放射モデリング (2021)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 理論懇シンポジウム2021
• [Presentation] 太陽風乱流シミュレーション：直接数値計算はPSP観測にどこまで近付いたのか (2021)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: CfCAユーザーズミーティング
• [Presentation] Turbulent generation of magnetic switchbacks: a direct numerical simulation (2021)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: ISEE/ISAS symposium on Inner Heliosphere Study
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PSP時代の太陽風乱流シミュレーション (2021)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 日本天文学会2021春期年会
• [Presentation] 太陽風モデルの未解決問題 (2021)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: ISEE研究集会「太陽地球圏環境予測のためのモデル研究の展望」
  • Invited
• [Presentation] Three-dimensional MHD simulation of the fast solar wind acceleration (2020)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: Association of Asia-Pacific Physical Societies Division of Plasma Physics Conference 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Compressional magnetohydrodynamic turbulence as a possible origin of magnetic switchbacks observed by Parker Solar Probe (2020)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会年会2020
• [Presentation] Turbulent generation of magnetic switchbacks in the Alfvenic solar wind (2020)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: Parker Solar Probe FIELDS weekly meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Three-dimensional MHD simulation of the heating and acceleration of solar winds (2020)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: Max-Planck Princeton Center workshop 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Early results from Parker Solar Probe (2020)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 太陽研究者連絡会シンポジウム2020
  • Invited
• [Presentation] Unsolved problems of solar wind turbulence (2019)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: Japan Geophysical Union meeting 2019
  • Invited
• [Presentation] First-principle simulation on mass- and angular-momentum losses of Sun-like stars (2019)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: International Space Science Workshop "The solar and stellar wind connection: heating processes and angular momentum loss"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高速太陽風の三次元磁気流体シミュレーション (2019)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: RIMSワークショップ「宇宙惑星ジェットの数理」
• [Presentation] Three-dimensional MHD simulation of the fast solar wind acceleration (2019)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society annual meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A model of the fast solar wind driven by compressible MHD turbulence (2019)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: ASTRONUM-2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 磁気流体乱流による天体プラズマ加熱 (2019)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: プラズマ科学のフロンティア2019
  • Invited
• [Presentation] Three-dimensional MHD simulation of the fast solar wind acceleration (2019)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: Hinode-13/IPELS-2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] EUVSTで迫る太陽・恒星コロナ加熱問題 (2019)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 日本天文学会2019秋季年会
• [Presentation] Three-dimensional simulation of the fast solar wind (2019)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会年会2019
• [Presentation] Some predictions for Parker Solar Probe from direct numerical simulation of the fast solar wind (2019)
  • Author(s): Shoda Munehito
  • Organizer: ISEE Workshop "New perspective of inner heliosphere studies ~ Toward Solar Cycle 25 ~"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アルベーン波乱流による恒星コロナ加熱 (2019)
  • Author(s): 庄田宗人
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会2019