【研究領域課題番号】21H04487 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

星形成 / 宇宙線 / 原始惑星系円盤 / 理論天文学 / 数値シミュレーション

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2021-04-05 - 2026-03-31

【配分額】25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)

【研究分野】超高層物理学

【研究領域課題番号】17H02966 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プラズマ / 粒子加速 / 衝撃波 / プラズマ波動 / 宇宙線 / 数値シミュレーション

【研究成果の概要】

宇宙空間の無衝突衝撃波における電子加速の効率について，理論，観測データ解析，数値シミュレーションの３つの異なるアプローチを全て組み合わせて調べた．新たに非相対論的電子の加速理論モデルを構築し，地球前面の弓状衝撃波の人工衛星観測データを用いて検証した．また，第一原理数値シミュレーションによって衝撃波の非定常性の効果や，幅広い応用を目指したパラメータ依存性についても調査を行った．これらの結果を総合すると，本研究で提唱した電子加速機構は衝撃波電子加速における最大の困難である電子注入問題の解決策として，現時点で最も有力なモデルと考えられる．

【研究の社会的意義】

高エネルギー粒子の加速は宇宙において普遍的に見られる現象であり，一部の粒子のみが熱的エネルギーよりも遥かに高いエネルギーまで加速されることが知られている．熱平衡状態から大きく逸脱した粒子を生成する機構として，最も有力視されているのが衝撃波における粒子加速機構である．本研究によって衝撃波粒子加速における最大の困難であった電子注入問題の解決に向けて大きな一歩を踏み出すことができた

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究分野】超高層物理学

【研究領域課題番号】12640430 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

衝撃波 / 粒子加速 / 宇宙線 / 数値シミュレーション / 静電ソリトン波動 / 衝撃波波乗り加速(サーフィン加速) / 無衝突衝撃波 / 電子加速 / 静電ソリトン / 超新星残骸

【研究成果の概要】

無衝突衝撃波において、超音速の衝撃波上流から亜音速の下流に至る衝撃波遷移領域では、プラズマ波動を介して効率よくイオンから電子にエネルギーが輸送されていることが知られている。また同様に波動-粒子相互作用によって、電子加熱だけでなく非熱的な高エネルギー電子成分も形成されることが期待されている。本研究では、従来の衝撃波フェルミ加速よりも早い時間スケールで高エネルギー電子を形成する過程を、数値シミュレーションを用いて明らかにすることが出来た。これまで衝撃波遷移領域では、乱流的プラズマ波動が重要な役割を果たすと考えられてきたが、最近の磁気圏衛星観測によってソリトン的大振幅の静電的波動も形成されていることが発見された。本研究ではこのソリトン的波動に着目して、どのようにして衝撃波領域に静電的ソリトン波動が形成されるのか、またそのソリトンが電子加速にどのように関連するのかを研究した。本研究期間に得られた成果は、大規模数値シミュレーションに基づく理論計算から、(1)臨界マッハ数を超えると、衝撃波から反射される一部のイオンと衝撃波に向かって流れ込む電子の作る2流体不安定を介して、衝撃波遷移領域に静電的ソリトン波動が形成されること、(2)ソリトン波動に共鳴する電子軌道が存在し、衝撃波波乗り加速(サーフィン加速)を介して選択的に電子が加速され非熱的成分を形成できること、(3)マッハ数が数10を超えると、電子は相対論的エネルギーまで際限なく加速できることなどである。本研究で見出された新しい電子サーフィン加速は、超新星残骸での高エネルギー電子成分や惑星間空間での衝撃波加速での電子加速として非常に有力な加速過程であることがわかった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)