恒星磁場

定義と起源

恒星磁場とは、恒星の内部に存在する電気伝導性を持つプラズマが運動することによって生み出される磁場のことです。このプラズマの動きは、恒星内部での物質の対流によって引き起こされます。対流はエネルギーを運ぶ重要なメカニズムの一つです。恒星内部で発生した磁場は、周囲のプラズマに力を及ぼし、局所的に圧力を高める効果を持ちます。これにより、磁化された領域が膨張し、恒星の表面である光球まで浮上してきます。これが、恒星の表面に見られる恒星黒点や、大気上層のコロナにおけるループ状構造（コロナループ）といった活動現象を生み出す根本的な原因となります。

測定と長期変動

恒星の磁場を観測し測定する方法として、ゼーマン効果が広く利用されています。恒星大気中の原子は特定の波長の光を吸収してスペクトル線を作りますが、強い磁場の下ではこれらの吸収線が複数に分裂し、さらに光の偏光状態も変化します。この分裂の度合いや偏光の向きを詳しく分析することで、恒星表面の磁場の強さや方向を知ることが可能です。磁場測定に特化した観測装置として、分光計と偏光計を組み合わせた分光偏光計が用いられます。世界で初めて恒星磁場測定に使用された分光偏光計はNARVALで、フランスにある望遠鏡に設置されています。また、私たちの太陽の磁場については、過去150年以上の観測や、樹木の年輪に含まれる炭素同位体（¹⁴C）、氷床コアに含まれるベリリウム同位体（¹⁰Be）といった自然の記録から、10年、100年、1000年といった異なる時間スケールで強さやパターンが変動していることが明らかになっています。

磁場の生成メカニズム：ダイナモ理論

恒星磁場の生成は、主に「ダイナモ理論」によって説明されます。この理論では、恒星内部の対流層が重要な役割を担います。電気伝導性を持つプラズマの対流運動は、発電機（ダイナモ）のように働き、恒星内部に磁場を発生・維持させます。特に、恒星の緯度によって自転速度が異なる「差動回転」は、磁力線を恒星の周りに巻き付け、環状の「磁束管」を形成・強化する効果があります。この過程で磁場が非常に強まり、表面に現れることで様々な活動現象につながります。ダイナモ作用によって生成される恒星磁場は、一般に双極子（N極とS極を持つ棒磁石のような構造）を基本としますが、内部のプラズマ運動は複雑であり、磁場は時間とともに強弱を繰り返し、周期的にその極性を反転させることがあります。例えば、太陽の主要な磁場は平均して約11年ごとに極性を反転させており、約22年の周期で元の状態に戻ります。極性反転の時期には磁場が一時的に弱まりますが、その前後に太陽黒点活動が最も活発になる傾向があります。強い磁場が急激に変化する領域では、フレアやコロナ質量放出といった爆発的なエネルギー解放現象が引き起こされます。これらの現象は、プラズマを数千万度もの高温に加熱し、粒子を加速して宇宙空間に放出します。

表面活動と磁場

恒星の表面に見られる恒星黒点（太陽黒点）は、恒星内部から浮上してきた磁束管の断面であり、周囲より温度が低く暗く見えます。コロナループは、黒点の上空で磁力線に沿ってプラズマがとらえられた高温構造です。これらの磁場に関連する構造は、恒星フレアやコロナ質量放出といった突発的なアウトバースト現象のエネルギー源となります。恒星表面の活動性は、恒星の年齢や自転速度に大きく依存することが知られています。一般に、自転が速い若い恒星ほど活動的で強い磁場を持ちますが、太陽のように自転が遅い中程度の年齢の恒星は、比較的穏やかながらも周期的な活動を示します。非常に高齢になると、ほとんど活動が見られなくなる星もあります。恒星の活動性の長期的な変化を観測することは、その星の自転様式などを探る手がかりとなります。

磁気圏と自転の進化

磁場を持つ恒星は、その周囲に「磁気圏」と呼ばれる空間的な磁場の領域を形成します。磁気圏は恒星から吹き出す恒星風に含まれる荷電粒子を捕獲・収容します。恒星が自転すると、磁気圏も一緒に回転し、中に閉じ込められた荷電粒子を外側へと運びます。恒星風が物質を放出する際に磁気圏がそれを引きずることで、恒星は角運動量（回転の勢い）を周囲の空間に運び出し、自身の自転速度を徐々に減速させます。自転が速い星ほど恒星風が強く、角運動量の損失率も高いため、若い速自転星は比較的早く自転が遅くなっていきます。この現象は恒星の自転進化において重要な役割を果たします。

様々なタイプの恒星における磁場

恒星磁場は、恒星の種類や進化段階によってその特徴や役割が異なります。例えば、まだ主系列星になる前の若い星であるおうし座T型星は、強い磁場が恒星風と相互作用し、周囲の原始惑星系円盤へ角運動量を伝えることで自転を減速させると考えられています。太陽より軽いM型星の中には閃光星と呼ばれる磁気活動が非常に活発な星があり、突発的な強力なフレアを頻繁に発生させます。また、赤色巨星が外層を放出してできる惑星状星雲の多くが球形ではなく複雑な形をしているのは、中心星の磁場がプラズマ放出の方向性を左右している可能性が指摘されています。星の進化の終末期にできるコンパクト星、特に中性子星や白色矮星は、元の星の磁場が圧縮されるため極めて強力な磁場を持つことがあります。高速自転する中性子星は、この強い磁場によって電磁波のビームを放出し、パルサーとして観測されます。特に磁場が強い中性子星はマグネターと呼ばれ、突発的なX線やガンマ線の放出を起こします。さらに、活動的な銀河の中心にある超大質量ブラックホールから噴出する光速に近いプラズマジェットも、ブラックホール周辺の強い磁場によって加速・ collimation（集束）されると考えられています。

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