新世代の多波長連携観測で明らかにする太陽フレア粒子加速領域

• 研究課題/領域番号: 23K03455
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分16010:天文学関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 増田 智 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (10262916)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2025年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 太陽フレア / 電波 / 硬X線 / 粒子加速 / 多波長観測

研究開始時の研究の概要

太陽フレアは、太陽外層大気中で磁気エネルギーが突発的に解放されて発生する爆発現象であり、大量の電子が加速されるが、その加速機構は明らかになっていない。
本研究では、探査機Solar Orbiter搭載の硬X線望遠鏡と地上の電波望遠鏡及び地球周辺の人工衛星を組み合わせることで、これまでにないステレオ観測を実現し、太陽フレアにおける電子加速領域を特定し、その領域の物理量を明らかにすることで、電子加速機構の理解に大きく貢献する。

研究実績の概要

中国の新太陽電波望遠鏡MUSERの観測が停止している状況が続いており、Solar Orbiter搭載のSTIXとの太陽フレアの同時観測データが得られていない。そこで、MUSERの観測再開後の研究を速やかに行うための準備研究として、一世代前の観測データセット、すなわち、野辺山電波へリオグラフ(電波)とRHESSI衛星(硬Ｘ線)のデータを用いて、太陽フレアの粒子加速の研究を推進した。0.1秒ごとに電波画像が取得できる野辺山電波へリオグラフの高時間分解能観測を活かして、フレアループに沿った電波源の移動を観測し、その移動は加速された電子の運動によるものだと仮定することにより、加速電子のピッチ角(運動方向と磁場のなす角)を推定した。この加速電子のピッチ角情報は、電子加速機構の理論モデルに制限を与える重要な情報である。また、この準備研究を進める過程で、今後の研究に必須となってくる光球面磁場からコロナ磁場を計算するモデルの結果の可視化や解析法を習得することができた。実際、コロナ中の磁場強度の分布を求めて、その磁気ループにいろいろなパラメータで高エネルギー電子を注入した際の電波の強度分布・時間変化を計算し、観測と比較することを行った。
硬Ｘ線に関しては、RHESSI衛星に限らず、現在も軌道上で観測を続けているFermi衛星のデータ解析も開始し、将来、STIXの硬Ｘ線フレア画像にFermi衛星の高時間分解能・高感度の観測データを加えた解析を行うための準備を行った。
また、太陽フレアにおける粒子加速研究に関する、これらの研究の成果や進捗に関して、複数の国際会議で発表を行い、本研究計画グループの活動を国際的に示すことができた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究計画における主たる解析対象であるMUSERとSTIXにより同時観測された太陽フレアのデータが取得できていないのが、計画が遅れている要因である。MUSERの観測が止まっていることに起因するものであり、観測再開を待つしかないが、MUSERのPIのYan教授の話では、近日中に再開できそうとのことであった。この間、別のデータセットの解析を通じて、本研究計画に必要な技術の習得は進められたので、遅れは最小限に抑えられている。具体的には、太陽光球面磁場観測データから計算で求められたコロナ3次元磁場のデータの取り扱い方法、及び、硬X線・ガンマ線観測衛星Fermiの高時間分解能データ解析手法を習得することができた。
また、本研究計画の一番の目的である太陽フレアにおける粒子加速場所の特定という科学目的に関しては、本研究計画とは異なるアプローチではあるが、Time-of-Flight解析による加速場所の推定及びその時間変化の研究を私が指導する大学院生とともに行っており、そちらも結果が出つつある状況である。

今後の研究の推進方策

MUSERに関しては、引き続き、観測再開を待ちつつ、PIのYan教授と連絡を密にし、解析環境(ソフトウェアなど)の整備を行っていく。STIXに関しては、MUSERとの同時観測に関わらず、太陽フレアのデータ解析を行い、その装置の特徴や性質を理解する。これに関しては、STIXのPIのKrucker教授が2024年度に名古屋大学宇宙地球環境研究所に客員教授として3ヶ月程度滞在される予定になっているので、その間に、STIXの最新の解析手法など多くを学べると考えている。また、Krucker教授自身も本研究計画に非常に興味を持っているので、国際共同研究として推進する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] National Space Science Center(中国)
• [国際共同研究] FHNW(スイス)
• [雑誌論文] Solar Soft X-Ray Irradiance Variability, II: Temperature Variations of Coronal X-Ray Features (2023)
  • 著者名/発表者名: Adithya H. N.、Kariyappa Rangaiah、Kusano Kanya、Masuda Satoshi、Imada Shinsuke、Zender Joe、Dam? Luc、Manjunath Hegde、DeLuca Edward、Weber Mark
  • 雑誌名: Solar Physics 巻: 298 号: 8 ページ: 99-99
  • DOI: 10.1007/s11207-023-02190-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristics of the Accelerated Electrons Moving along the Loop Derived from Cyclical Microwave Brightenings at the Footpoints (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Keitarou、Masuda Satoshi、Kaneko Takafumi
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 955 号: 2 ページ: L39-L39
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acf99c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Relationship of peak fluxes of solar radio bursts and X-ray class of solar flares: Application to early great solar flares (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Keitarou、Masuda Satoshi、Shimojo Masumi、Hayakawa Hisashi
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 75 号: 6 ページ: 1095-1104
  • DOI: 10.1093/pasj/psad058
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of Solar Neutrons and Solar Neutron Decay Protons (2023)
  • 著者名/発表者名: Muraki Yasushi、Koi Tatsumi、Masuda Satoshi、Matsubara Yutaka、Miranda Pedro、Miyake Shoko、Naito Tsuguya、Ortiz Ernesto、Oshima Akitoshi、Sako Takashi、Shibata Shoichi、Takamaru Hisanori、Tokumaru Munetoshi、Vald?s-Galicia J?se F.、Watanabe Kyoko
  • 雑誌名: Universe 巻: 10 号: 1 ページ: 16-16
  • DOI: 10.3390/universe10010016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 持続的γ線放射イベントに対する電波撮像観測からの示唆 (2024)
  • 著者名/発表者名: 増田 智
  • 学会等名: 2023年度太陽研連シンポジウム
• [学会発表] NoRH と RHESSI で観測された太陽フレアにおける粒子加速領域の推定 (2024)
  • 著者名/発表者名: 矢倉昌也、増田智
  • 学会等名: 2023年度太陽研連シンポジウム
• [学会発表] 野辺山電波ヘリオグラフを用いた微小フレア解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 谷口英駿、増田智
  • 学会等名: 2023年度太陽研連シンポジウム
• [学会発表] Recent Solar Flare Researches with Nobeyama Radioheliograph (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Masuda, K. Matsumoto, and the MUSER group
  • 学会等名: MR 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Solar Flare Researches with NoRH at ISEE (2023)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Masuda
  • 学会等名: Korea-Japan Space Weather Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Legacy of Nobeyama Radioheliograph (2023)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Masuda and the International Consortium for the Continued Operation of Nobeyama Radioheliograph (ICCON)
  • 学会等名: AGU annual meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Activities of the Hinode and SOLAR-C Science Center at ISEE in Nagoya University (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Masuda, Y. Miyoshi, T. Matsumoto, T. Hori, S. Nakamura, C.-W. Jun, A. Shinbori, T. Sori, H. Iijima, K. Iwai, T. Segawa, K. Kusano, K. Shiokawa, T. Shimizu, S. Toriumi, I. Shinohara, G. Murakami, K. Asamura, S. Imada, H. Hara, Y. Katsukawa, M. Kubo, D. Shiota, and K. Watanabe
  • 学会等名: Hinode-16 IRIS-13 meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative study of pitch angle distribution through microwave fast propagation in a solar flare observed with Nobeyama Radioheliograph (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Matsumoto, S. Masuda, K. Iwai, T. Kaneko, and T. Minoshima
  • 学会等名: JpGU 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of the Pitch Angle Distribution of the Accelerated Electrons Generating a Fast Propagation of a Microwave Source During a Solar Flare Observed with Nobeyama Radioheligraph (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Matsumoto, S. Masuda, K. Iwai, T. Kaneko, and T. Minoshima
  • 学会等名: AOGS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Study on the time evolution of the electron acceleration site in a solar flare by using Time-of-Flight analysis method (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Yakura ad S. Masuda
  • 学会等名: JpGU 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Evolution of the Electron Acceleration Site in Solar Flares by Using Time-of-flight Analysis with Multiple Time windows (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Yakura and S. Masuda
  • 学会等名: AOGS 2023
  • 国際学会