超大型太陽望遠鏡DKISTで迫るプラズマ加熱の新たな物理的描像

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20KK0072
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 鳥海 森 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 国際トップヤングフェロー (30738290)
• 研究分担者: 久保 雅仁 国立天文台, SOLAR-Cプロジェクト, 助教 (80425777) ; 横山 央明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00311184)
• 研究期間 (年度): 2020-10-27 – 2024-03-31
• キーワード: 超大型太陽望遠鏡DKIST / 太陽観測衛星ひので / 光球・彩層磁場 / 輻射磁気流体シミュレーション / 偏光分光観測

研究実績の概要

本研究計画の初年度である2020年度には、DKIST初期観測フェーズ（OCP: Operations Commissioning Phase）観測提案の募集が実施され、本研究チームも提案の応募を行った。新型コロナウィルス感染症（以下COVID-19）の影響による遅延はあったものの、2021年2月には審査結果が開示され、世界から提出された100件超の提案のうち、本研究チームからは複数の提案が採択された。特に、研究協力者（勝川・石川）の提案は、優先度が最も高いカテゴリに採択された。今後もCOVID-19の拡大次第では米国側の観測装置準備は依然として予断を許さない状況が続くものの、特に優先度が高い提案について予定通り2021年度中に観測が開始されることを想定し、日本側は引き続き準備を継続する。
本研究のもう一つの目標である、輻射磁気流体コードを用いた太陽モデル大気計算については、理論班を中心に以下の進展が得られた。始めに、太陽表面対流に駆動された磁気流体波動・衝撃波による彩層加熱の数値シミュレーションを行い、加熱に対する各波動モードの寄与を明らかにした。続いて、彩層磁気リコネクション・ジェット噴出を再現するテストシミュレーションを実施し、今後実施する計算プランについて検討した。2021年度以降は、すでに実施中の疑似観測（スペクトル再現）技術を応用することで、これらの太陽モデル大気計算についてDKISTの観測波長を想定した疑似観測を行う。観測の実現に予断を許さない状況が続くなか、これらの理論研究を精力的に推進することで、計画全体として遅れが出ないよう努める。
研究・解析環境の整備として、研究代表者（鳥海）が2020年度予算で計算機を導入し、研究分担者（久保・横山）がデータストレージを購入した。これらは観測データやシミュレーションデータの保存・解析に利用される。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画では、2020年度には初期科学観測を提案することを予定していた。実際に2020年度には本研究チームからも観測提案を行い、無事に複数の提案が採択された。特に、研究協力者（勝川・石川）の提案は優先度が最も高いカテゴリに採択された。これは、DKISTの高解像度観測と衛星による多波長観測を組み合わることで、詳細な物理過程を解明する本研究が高く評価された結果と言える。一方、米国側の準備状況が整わないことから、観測プラン等についての意見交換を目的とした日米合同ミーティングは、2021年度に順延することとした。
一方、理論研究については、2020年度中に複数のモデル大気計算が完了した。磁気流体波動による彩層加熱のシミュレーション研究については、研究協力者（王）の博士論文としてまとめられたほか、彩層磁気リコネクション・ジェット噴出シミュレーションについても既にテスト計算が実施されており、進捗状況は順調と見なせる。
また、研究・解析環境については、2020年度予算により、計算機やデータストレージ（ハードディスク）の購入など、当初計画に沿った整備が行われた。
以上の理由により、現在までの進捗状況を「(2)概ね順調に進展している」と判定した。

今後の研究の推進方策

2021年度からDKIST科学観測運用の本格的な開始が予定されており、実際の観測へ向けた活動を行う。COVID-19の状況により、依然としてDKIST観測装置の整備には遅延が生じる可能性が残る。しかし、これまでに採択された観測課題（特に優先度が高い課題）について、予定通りに2021年度中に観測が実施されることを想定し、日本側は引き続き準備を継続する。本研究では光球からコロナへ至るエネルギー輸送の一貫した理解を目標としており、そのためにはDKISTと「ひので」衛星・IRIS衛星との協調観測が重要となる。海外渡航の可否に関わらず、DKIST望遠鏡とこれらの衛星との協調観測を指揮し、良質な観測データの取得を目指す。海外渡航が可能な場合は、望遠鏡サイトでこれを実施する。観測データ取得後は科学成果の創出に加えて、メンバー間で情報共有を密に行い、さらなる観測提案の採択へとつなげる。
一方、理論研究についても引き続き着実な進捗を図る。2020年度にテスト計算を実施した彩層磁気リコネクション・ジェット噴出のシミュレーションについて、2021年度には本格的な計算に取り組む。また、得られた計算結果に、研究協力者（松本・川畑）が取り組んでいる大気モデル計算の手法を適用することで、DKISTの観測波長・時間空間分解能を想定した疑似観測についても検討を行う。
依然として海外渡航の困難な状況が続き、滞在研究を核に直接的な国際共同研究を目指す本計画としては、非常に厳しい情勢である。しかし、観測準備・モデル大気計算・解析環境整備など現状で実施可能な措置を最大限講じることで、計画の遅延を最小に食い止める。

次年度使用額が生じた理由

研究分担者（横山）配算分において、大規模データストレージの残額として45,656円の次年度使用額が生じた。翌年度（2021年度）は、請求予定の5,500,000円と合わせ、共同研究のための海外渡航費、研究環境整備のための計算機代、論文出版費などに充当する計画である。

研究成果

• [国際共同研究] National Solar Observatory/LMSAL(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National Solar Observatory/LMSAL
• [国際共同研究] Instituto de Astrofisica de Canarias(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Instituto de Astrofisica de Canarias
• [学会発表] 太陽物理学における数値計算の現状と課題 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鳥海森
  • 学会等名: 令和2年度国立天文台CfCAユーザーズミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] Flux Emergence and Generation of Flare-productive Active Regions (2021)
  • 著者名/発表者名: Shin Toriumi
  • 学会等名: COSPAR 2021 (43rd COSPAR Scientific Assembly)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Numerical study of shock heating of the magnetic chromosphere by realistic simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Yikang, Yokoyama Takaaki, Haruhisa Iijima
  • 学会等名: 日本天文学会2021年春季年会
• [学会発表] Numerical study of fast and slow MHD waves in heating solar magnetic chromosphere by realistic simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Yikang, Yokoyama Takaaki, Haruhisa Iijima
  • 学会等名: 日本天文学会年会2020年秋季年会
• [学会発表] 輻射磁気流体シミュレーションで解き明かす磁場・対流相互作用による太陽フレア黒点形成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鳥海森、堀田英之
  • 学会等名: 第37回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Delta-sunspot Formation in Realistic Magnetic Flux Emergence Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Shin Toriumi, Hideyuki Hotta
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation of Low-energy Cutoff of Non-thermal Electrons from a Spectro-polarimetric Observation (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsu Anan, Takurou Yoneya, Kiyoshi Ichimoto, Satoru Ueno, Daikou Shiota, Satoshi Nozawa, Shinsuke Takasao, Tomoko Kawate
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Study of solar chromospheric heating mechanism with numerical simulation (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Yikang
  • 学会等名: 2020年度太陽研連・太陽スペース研究シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] The US National Science Foundation's Daniel K Inouye Solar Telescope (2020)
  • 著者名/発表者名: T.R. Rimmele, M. Warner, S.L. Keil, P.R. Goode, M. Knoelker, J.R. Kuhn, R.R. Rosner, J.P. McMullin, R. Casini, H. Lin, F. Woeger, O.v.d. Luehe, A. Tritschler, A. Davey, A. deWijn, D.F. Elmore, A. Fehlmann, D.M. Harrington, S.A. Jaeggli, M.P. Rast, T.A. Schad, W. Schmidt, T. Anan, V. Martinez-Pillet, et al.
  • 学会等名: 2020年度太陽研連・太陽スペース研究シンポジウム
  • 招待講演