千葉大学大学院理学研究院の堀田英之准教授と名古屋大学宇宙地球環境研究所長の草野完也教授は、スーパーコンピュータ「富岳」による超高解像度計算によって、太陽内部の熱対流・磁場を精密に再現。

それにより、太陽では赤道が北極・南極（極地方）よりも速く自転するという基本自転構造を、世界で初めて人工的な仮説を用いずに再現することに成功したとのことだ。

同成果では、「富岳」の計算力を用いることで太陽と同じ状況をコンピューター上に再現することが達成できたと考えられるという。

今後、更なる高解像度計算を引き続き実行していくことで、太陽物理学最大の謎「太陽活動11年周期」の解明に近づくことが期待できるとしている。

なお、研究成果は、英科学誌『Nature Astronomy』（13 September 2021）で発表された。

研究の背景：熱対流の難問

「富岳」で再現された太陽内部熱対流の様子。熱対流を表現するのに適したエントロピーという量を示しており、橙、青の部分はそれぞれ暖かい・冷たい領域に対応。

「富岳」で再現された太陽内部熱対流の様子

地球は、どの緯度でも同じ周期（1日）で自転しているが、太陽は緯度ごとに違う周期で回る差動回転をしていることが知られている。この事実は、1630年ごろから知られており、赤道付近は25日程度、極地方は30日程度で自転、つまり赤道が極地方よりも速く自転していることがわかっているとのことだ。

この差動回転は太陽黒点の形成と周期活動にとって重要な役割を果たしていると考えられているという。

太陽内部は乱流的な熱対流で占められており、太陽中心部での核融合反応によって生成されたエネルギーは、太陽半径の70％ほどまでは光によって、太陽内部の外側30%では熱対流によって運ばれる（対流層）。この乱流運動が差動回転を形成・維持していると考えられている。

しかし、これまでの数値シミュレーションでは、スーパーコンピュータ「京」で計算可能な解像度（約1億点）であっても、太陽とは逆に極地⽅が速く⾃転し、⾚道が遅くなる結果になってしまい、実際の差動回転を再現できなかったとのことだ。

その原因は太陽内部における乱流的な熱対流を正確に計算できないためと考えられており、この問題は「熱対流の難問（convective conundrum）」と呼ばれる太陽物理学の長年の謎であったという。

研究の成果

今回の研究では、スーパーコンピュータ「富岳」を用いることで初めて可能になった超高解像度計算で、熱対流の難問の解決に迫ったとのことだ。

太陽のように高度に発達した乱流状況を調査するには、非常に多くの計算コストを必要とするという。

「富岳」を用いて、これまでの世界最高解像度である54億点で太陽対流層全体を解像した計算を行ったところ、太陽と同じく赤道が速く回転する差動回転を再現することができたとしている。

これまでの計算では、太陽内部の磁場のエネルギーは、乱流のエネルギーに対して小さく、磁場は脇役と考えられてきたが、今回達成できた計算では磁場のエネルギーは乱流エネルギーの最大2倍以上になっており、これまでの太陽の常識が大きく変わったとのことだ。

また、同研究により差動回転形成・維持において磁場が大きな役割を持つことを発見したという。

数値シミュレーションで再現された差動回転の様子

今後の展望

太陽の差動回転は、太陽の磁場の起源において重要な役割を担っており、差動回転の理解は、太陽物理学最大の謎「太陽活動11年周期」の解明のための重要なステップとなるとのことだ。

高解像度計算が太陽の状況をよく再現できることを発見できたが、まだ「富岳」の全ての力を使ったわけではないという。

今後、更なる高解像度計算を引き続き実行していくことで、11年周期の謎解明に挑戦していきたいと考えているとのことだ。