乱流は小さく砕けるはずなのに、太陽風では磁場のねじれが大きく育っていた。探査機が太陽に迫って捉えた「流体と粒子の境目」の新現象

2026.10.27
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乱流は、小さい渦に砕けていくものだと習います。川の流れでも台風でも、大きな渦が小さな渦に分かれ、最後は熱になって消える。ところが太陽から吹き出す太陽風の中で、磁場の「ねじれ」が逆に大きな構造へ育っていく様子が、NASA の探査機パーカー・ソーラー・プローブのデータから直接捉えられました。ブラウンシュヴァイク工科大学の Masatomi Iizawa さん・Yasuhito Narita さん、東京大学の横井喜充さん、九州大学の松清修一さんらの国際チームによる研究で、論文は2026年10月13日に The Astrophysical Journal Letters に掲載されました。東京大学大学院理学系研究科が同じ日に日本語で発表しています。

磁場の「ねじれ」は、ふつう雑音に埋もれている

磁場のねじれや絡み合いの度合いを表す量を、磁気ヘリシティと呼びます。電気抵抗がない理想的なプラズマでは、この量は保存されます。太陽風でも崩れにくい量として振る舞うことが知られていますが、太陽風の乱流の中では、ふつう雑音と区別がつきません。

ここで効いてくるのが、スケールの違いです。太陽風のプラズマは、大きなスケールでは流体として扱えます（MHD スケール）。一方、イオンの回転半径くらいの小さなスケールになると、流体の見方が通用しなくなり、粒子ひとつひとつの運動が効いてきます（運動論スケール）。この2つの境目で、近年、磁気ヘリシティの山が見つかって驚かれていました。ただ、それは特定の場所の一瞬の姿にすぎず、太陽から離れるにつれてどう変わるのかは分かっていませんでした。かつてのヘリオスやボイジャーには、この小さなスケールを測れるだけの速さの計測器が無かったからです。

乱流は小さく砕けるはずなのに、太陽風では磁場のねじれが大きく育っていた。探査機が太陽に迫って捉えた「流体と粒子の境目」の新現象

0.1天文単位から0.8天文単位まで、1時間ずつ

研究チームが使ったのは、パーカー・ソーラー・プローブの磁力計 FIELDS が2021年9月29日から11月22日にかけて取ったデータです。この期間、探査機は太陽から0.1天文単位（太陽と地球の距離の10分の1）まで近づいたあと、0.78天文単位まで遠ざかりました。高速の計測が続いていた期間でもあります。チームは太陽からの距離を0.002天文単位きざみで区切り、それぞれで1時間ぶんの磁場データを取り出して、磁気ヘリシティの周波数ごとの分布（スペクトル）を調べました。

0.1天文単位の近さでは、従来の観測より2桁ほど高い周波数まで見えました。そこに、はっきりした構造がありました。流体と粒子の境目にあたる周波数（0.1天文単位では10ヘルツ付近）に、正のヘリシティの山と負のヘリシティの山が、きれいに対になって並んでいたのです。右巻きと左巻きのねじれが、スケールを少しずらして共存している形で、研究チームはこれを「バイヘリカル構造」と呼んでいます。

山は、太陽から離れるほど「大きなスケール」へ動いた

ここからが本題です。この2つの山は、太陽から離れるにつれて、低い周波数、つまり大きなスケールの側へ移っていきました。しかも、その移り方は単純ではありません。

太陽風は外へ広がるにつれて薄くなるので、イオンの回転半径のような「その場の」物差しも距離とともに変わります。もし山がその場の物差しに張りついているだけなら、山の周波数は距離に反比例して下がるはずです。ところが観測された山は、距離に対して指数関数的に、つまりもっと急に下がっていました。その場の条件に受け身で従っているのではなく、小さなスケールから大きなスケールへ、ねじれが積極的に運ばれている。研究チームはこれを「非局所的な進化」と呼びます。

この振る舞いは、「ヘリシティ障壁」と呼ばれる理論と相性がよいものです。ねじれを多く含む乱流では、エネルギーが小さなスケールへ流れ落ちる道が、流体と粒子の境目でせき止められ、行き場を失ったねじれが逆に大きなスケールへ積み上がる、という考え方です。山がイオンのスケールからずれていく観測は、この障壁が実際に働いていて、ねじれが熱に変わるのを妨げている証拠だと研究チームは見ています。

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50年来の論争に、観測から一石

東京大学の発表によれば、磁気ヘリシティが小さな構造へ向かうのか、大きな構造へ向かうのかは、流体スケールの理論で約50年続いてきた論争です。今回の観測は、その答えを流体スケールの中で出したのではなく、これまで注目されていなかった「流体と粒子の境目」で、ねじれが大きく育つ現象を初めて直接捉えた、という位置づけです。

分からないことも残っています。ねじれの山は0.5天文単位より外では消えてしまいました。探査機の軌道は黄道面に近く、この距離では太陽圏電流シート（太陽の磁場の向きが切り替わる境界面）を何度もまたぐので、そこで構造が壊された可能性があります。本当に空間的に消えるのか、軌道のせいで見えなくなるだけなのかは、今後の観測で確かめる必要があります。また、最初のねじれが何によって生まれるのか（研究チームは陽子の温度の異方性で励起される波を有力候補に挙げています）や、指数関数的な移り方を理論がどう説明するかも、これからの課題です。

太陽風は、地上では作れない「ぶつからないプラズマ」の実験室です。ここで見えた乱流の振る舞いは、磁気嵐やオーロラのもとになる宇宙天気の予報にも、プラズマを閉じ込める核融合の理論にも、新しい手がかりになると研究チームは述べています。

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