自然に学ぶ研究事例

第145回	プラズマの自己組織化に学ぶ渦構造の制御

時空のひずみがつくるプラズマの渦

プラズマが集まって巨大な渦となる天体の磁気圏。磁場の中で加速して高温になったプラズマは、安定した渦構造を形成して自ら閉じこもる。プラズマの自己組織化に学ぶ渦構造の制御とは？

自己組織化されたプラズマ渦

銀河は、渦が回り続けることで安定的な構造になっている（写真上）。写真左下は木星磁気圏の理論モデルで、渦の中心部が高密度で高温になると考えられている。写真右下は、実験装置で生成された磁気圏型プラズマの渦。真空容器の中に超伝導マグネットを浮上させ、ガスを注入してマイクロ波を１秒入射すると、自己組織化によりプラズマの渦が生成される。理論モデルと同様に、渦の中心部に高温化が見られた。

物質は一般に、温度が上昇して高エネルギーになるにつれて固体、液体、気体、プラズマ（荷電粒子集団）へと状態を変化させます。地球上ではプラズマは特殊な装置がないと安定に存続できませんが、宇宙ではほとんどの物質がプラズマで、その存在の様態は２つに大別されます。１つは、重力によって塊となってできる星です。もう１つは、銀河のようにプラズマが渦構造を形成し、重力につぶされることなく安定的に回り続けるものです。

星の内部に閉じ込められたプラズマは非常に高温で高密度となり、水素がヘリウムに変換されるなどの核融合が起こることで、膨大なエネルギーを生み出します。代表的な例が太陽であり、太陽系の惑星に住む私たちは、このエネルギーの恩恵を受けて生命活動を維持しています。そして、星はエネルギーを生み出すだけでなく、元素を合成する「坩堝（ルツボ）」でもあるのです。

天体磁気圏ではプラズマは渦構造を自発的に形成し、渦の中心部では加速して高温となったプラズマが高密度で集積しています。このメカニズムを応用すれば、星の内部と同様の核融合エネルギーが生成されると考えられます。そこで、自己組織化のメカニズムやプラズマの挙動を調べるユニークな研究が行われています。木星磁気圏の理論モデルに基づき、実験装置で磁気圏型プラズマの渦を生成して観測したところ、渦の中心部に数億℃という高温のプラズマが発生することが確認されたのです。

未来のエネルギーとして実用化が待たれる核融合。星の内部で起こっている超高温高圧な現象をそのまま地球上で再現することはできませんが、磁場を利用して渦の中に安定的にプラズマを閉じ込めることで、先進的な核融合エネルギーを実現できるのではないかと期待されているのです。

吉田善章教授

東京大学大学院新領域創成科学研究科

科学の研究は第一に正確であること
私の専門は、プラズマ物理学と数理物理学の分野です。学生時代に、核融合エネルギーが非常に脚光を浴びました。宇宙天体の基本的な現象であり、元々宇宙にも興味があったので、この分野に進みました。核融合エネルギーはすぐにも実現するだろうと言われ続けてきましたが、残念ながらまだ実現できていません。この研究は、世界でもわれわれの研究室とマサチューセッツ工科大学（MIT）の２カ所でしか行われていない、希有な研究と言えるでしょう。人のできないことをやる、難しいことに挑戦することも大事なことだと思います。科学においては成果も確かに重要ですが、間違いがあってはなりません。プロセスを大切に、キレイな実験、正確な研究を積み重ねて、確実な成果を上げるように心がけています。

銀河のなかで、ガスやダストが特に高密度に密集している“分子雲”。主成分は水素で、水や一酸化炭素、アルコールなどがわずかに含まれており、これが星の原料となるのです。高密度の場所では重力によって、さらに周辺のガスやダストが集積して成長し、星の元となる塊“原始星”となるそうです。そして、さらに成長を続けると中心部分が高温高圧になり、核融合反応が始まります。こうして誕生した星は輝きを放つようになるのです。星の寿命は太陽がおよそ100億年、太陽より軽い星は100億年以上、重い星は数千万年と言われています。寿命が近づいた星の内部では水素がなくなり、別の核融合が始まって炭素や酸素ほか、さまざまな物質がつくられるそうです。そして寿命が来ると、星は自身を形成している物質をゆっくりと放出して形が失われて行き、ときには大爆発を起こして宇宙に物質をまき散らします。放出された物質はやがて“分子雲”を形成し、次世代の星たちの材料になるということです。