宇宙と実験室をつなぐプラズマ物理学

宇宙の現象の正体はプラズマ？

物質には固体・液体・気体という3つの状態がありますが、さらにエネルギーが高まると「プラズマ」と呼ばれる第4の状態になります。宇宙空間に存在して電磁波を発する物質の99％が、この非常に高温で電気を帯びた状態にあります。夜空の星の輝きも、太陽から吹き出す太陽風も、オーロラも、ブラックホールの周囲で円盤状に渦巻く「降着円盤」も、その正体はすべてプラズマです。宇宙の現象をプラズマという観点から解き明かし、宇宙の姿を統一的に理解しようとするのが「プラズマ宇宙物理学」です。

地上の実験で宇宙を説明

宇宙のプラズマにはまだわかっていないことが多くあります。例えば、降着円盤の乱流です。降着円盤の中では大きな渦が次第に小さな渦へと分裂していくことがわかっていますが、その過程の詳細は長らく不明でした。これを解明するには通常、スーパーコンピュータを用いた膨大な計算が必要です。
ところで、星が輝くのはプラズマが核融合を起こすためです。地上でも核融合を実現すべく、プラズマを実験室に閉じ込める研究が進められてきました。その過程でプラズマの性質は詳しく調べられ、精緻な理論が築かれてきました。この核融合の理論を降着円盤に応用したところ、複雑な計算を使わなくても乱流の挙動を正確に説明できることがわかりました。日本最速スパコン「富岳」を用いたシミュレーションでも、その正しさは裏付けられています。実験室でのプラズマを説明する方程式で、大規模な宇宙のプラズマが理解できるのです。

多くの謎を解明へ

太陽の表面温度は約6千度ですが、その外側に広がる「コロナ」と呼ばれる領域では100万度にまで跳ね上がります。このコロナ加熱の謎もプラズマ物理学の未解決問題の1つであり、降着円盤の発光メカニズムともつながっています。ブラックホールをとらえるイベントホライズンテレスコープや、太陽に接近する探査機といった観測技術の進化により、理論の正しさを検証できる環境も整いつつあり、多くの謎の解明が期待されています。

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先生情報 / 大学情報

宇都宮大学データサイエンス経営学部データサイエンス経営学科准教授川面洋平先生

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プラズマ物理学、宇宙物理学

メッセージ

勉強と研究は違います。勉強は解き方のわかっている問題に取り組むことですが、研究は答えのない問題と向き合い続けることです。わからない問題があったとき、すぐに解答を見るのをやめて、一週間、あるいは数週間、入浴中も、通学中も、寝る前も、その問題だけをひたすら考え続けてみてください。どうすれば解けるのかを問い続けるそのプロセスこそが、研究者が日々取り組んでいることに他なりません。大学では答えのない問いに取り組む機会が必ずやってきます。ぜひ一度、解けない問題をとことん考え抜く体験をしてみてください。

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