地球の主星である太陽は、非常に気まぐれな性質を持つため、天文学者たちは太陽の巨大フレアを注意深く監視するために、衛星や探査機を打ち上げざるを得ない状況に置かれている。しかし、太陽に向けられた観測機器は、長年科学者たちを悩ませてきた謎の層の影響で、視界が曇ってしまう傾向がある。
2010年から太陽を観測してきたNASAの太陽観測衛星（SDO）に搭載された観測機器は、打ち上げから5年で40%も劣化した。今日、科学者グループはついに、この宇宙船の観測がぼやけている原因が水である可能性を突き止めた。
「太陽観測衛星の劣化はSDOに問題が発生する前から起こっていました…しかし原因は不明でした」と、米国国立標準技術研究所（NIST）の研究員で、Solar Physics誌に掲載された新たな研究論文の著者の一人であるロバート・バーグ氏は、ギズモードへのメールで述べた。「以前の研究では、酸化が複数の原因候補の一つとして挙げられていましたが、酸化剤として水が挙げられたことはありませんでした」とバーグ氏は付け加えた。
この謎を解くため、新たな研究を行った科学者たちは、部屋ほどの大きさの粒子加速器を用いて宇宙天気の状況を再現した。その結果、水分子の酸素原子が宇宙船の機器から排出されたアルミニウムと結合し、太陽光線を遮るアルミニウム酸化物の霞んだ層を形成することがわかった。
木曜日に発表された新たな研究で、NISTとコロラド大学ボルダー校大気宇宙物理学研究所の科学者たちは、これらの重要な新発見を詳細に説明した。「私たちは長年分の放射線に曝露することはできませんでしたが、酸化物の成長モデルと併せて、紫外線を帯びた水蒸気が観測された損失を引き起こす可能性があることをかなり説得力を持って示しました」と、NISTの物理学者でこの新研究の筆頭著者であるチャールズ・タリオ氏はメールで説明した。
太陽を観測する宇宙船は、切手よりも小さく、人間の髪の毛よりも細いアルミニウムフィルターを用いて、太陽から放射される極端紫外線（EUV）を集光します。EUVとは、人間の目には見えないほど波長が短い太陽の光です。EUVは太陽から放射される光の総量に占める割合はごくわずかですが、恒星がフレアアップを起こす時期を科学者に知らせる上で重要な役割を果たしています。
太陽は時折、コロナ質量放出と呼ばれるエネルギーの爆発を放出します。これは、太陽から熱い鞭のように吹き飛ぶ巨大な荷電粒子の爆発です。この現象は地球上の私たちにも影響を与え、地磁気嵐を引き起こし、電力網や航法システムに混乱をもたらすことがあります。
太陽探査機や衛星を用いて太陽を監視することで、科学者は太陽フレアアップのスケジュールをより正確に把握することができます。しかし残念なことに、太陽に面した宇宙船は、運用開始から数年以内に極端紫外線（EUV）光を捕捉する能力を失う傾向があります。NISTによると、宇宙船のフィルターは通常、ミッション開始時には検出器を約50%のEUV光を透過しますが、1年以内に25%、5年以内に10%に減少します。研究者たちはこの結果をSDOの研究に基づいていますが、他の宇宙船でも同じ運命をたどったと述べています。
バーグ氏によると、宇宙船の劣化の他の例としては、欧州のPROBA2衛星に搭載されたLYRA機器、国際宇宙ステーションのSOLARペイロードに搭載され太陽エネルギーを測定するために使用されたSOLSPEC機器、およびPICARD宇宙船に搭載された太陽直径画像化装置および表面マッピング装置望遠鏡などがある。
長年、科学者たちは、フィルターに炭素層が形成され、宇宙船の汚染が原因だと信じていました。しかし、今回の研究を主導した同じ科学者グループは2021年にその説を否定し、すぐに計画を見直しました。「酸化を示唆するもう一つの要因は、宇宙船の機器が過去数十年にわたってよりクリーンになるように作られ、炭素の堆積につながる有機分子の発生源を排除することを目指してきたことです」とタリオ氏は述べています。「しかし、多くの機器は依然として著しい劣化を示しています。これは炭素の蓄積ではないことを示しています。」
研究者たちは粒子加速器を用いて極端紫外線（EUV）光を発生させ、この光を鏡を使って宇宙船のフィルターに向けると同時に、フィルターを水蒸気にさらしました。20日後、フィルターには酸化アルミニウムの層が形成されました。この層はフィルターのEUV光捕捉能力を妨げるほど厚くはありませんでしたが、長期間使用すればさらに厚くなったと考えられます。科学者たちはまた、宇宙船の実際の動作と一致する理論モデルを作成しました。
では、そもそも酸化層はどのようにして形成されたのでしょうか？科学者たちは、宇宙船の温度を制御するために使用されているサーマルブランケット内の水がフィルターのアルミニウムと反応して酸化層を形成し、それが検出器を通過する光を遮ると考えています。
この新たな研究は、将来の太陽観測宇宙船の設計に新たな情報を提供し、急速な劣化を防ぐのに役立つ可能性がある。研究者らが提案した点の一つは、アルミニウムイオンの移動を阻止する炭素層と、水蒸気の侵入を遮断するチューブの追加である。
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