高エネルギー天体における強電磁場の微視的散逸過程と巨視的空間構造の理論研究

• Project/Area Number: 15J06571
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Astronomy
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 髙本 亮 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2017: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 相対論的プラズマ / 高エネルギー天体現象 / フレア / 磁気リコネクション / 乱流 / プラズマ物理 / 磁場 / ワイベル不安定性 / 相対論的乱流 / 相対論的磁気リコネクション / 宇宙線加速 / 無衝突プラズマ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は高エネルギー天体において、相対論的ジェットやパルサー星雲などで発生しているプラズマの強磁場エネルギーの散逸過程について解明を行った。

今年度は最終年度として研究計画に従い、まずは相対論的磁気リコネクションが生成する乱流の効果について研究を行った。前年度までの研究では乱流が相対論的磁気リコネクションでの散逸効率を上げることを証明していたが、乱流の起源については未知のままであった。本年度はその乱流の起源について、tearing不安定性と交換不安定性に類する不安定性により自発的に作り出されることを実際に示した。しかしその乱流は上流の磁場のエネルギーの0.01%程度しか変換されておらず、非相対論的な乱流しか駆動されなかった。一方磁気リコネクション率は0.004と、観測で期待される0.01に近い値までは乱流により大きくなることが示された。これにより高エネルギー天体物理の強磁場問題は、磁気リコネクションが起きれば解決可能であることは示したが、一方で高エネルギー天体物理のフレア現象は起きにくくなるという示唆を得た。

また相対論的なプラズマではWeibel不安定という磁場を生成する不安定性についてスーパーコンピュータ『京』を用いた大規模プラズマシミュレーションを用いた研究を行った。Particle-in-Cell法を用いた３次元計算を行い、世界最大規模の計算を行った。この結果、相対論的Weibel不安定性は2次元と3次元では大きく振る舞いが異なることを明らかにした。さらに京が可能にした長時間計算により、世界で初めて電流の上限値であるAlfven電流まで成長し、Weibel不安定性が生み出す磁場の上限値を世界で初めて明らかにした。本研究結果は現在世界中で行われている高強度レーザーによるWeibel不安定性や無衝突衝撃波の再現実験などに大きな影響を与えることが期待される。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] the University of Wisconsin(米国)
• [Int'l Joint Research] Universite de Strasbourg(France)
• [Int'l Joint Research] Max-Planck Institute for Nuclear Physics(Germany)
• [Journal Article] Evolution of 3-dimensional Relativistic Current Sheets and Development of Self-Generated Turbulence (2018)
  • Author(s): Takamoto Makoto
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 476 Issue: 3 Pages: 4263-4271
  • DOI: 10.1093/mnras/sty493
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong coupling of Alfv?n and fast modes in compressible relativistic magnetohydrodynamic turbulence in magnetically dominated plasmas (2017)
  • Author(s): Takamoto Makoto.、Lazarian Alexandre
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 472 Issue: 4 Pages: 4542-4550
  • DOI: 10.1093/mnras/stx2292
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Compressible Relativistic Magnetohydrodynamic Turbulence in Magnetically Dominated Plasmas and Implications for a Strong-coupling Regime (2016)
  • Author(s): Makoto Takamoto; Alexandre Lazarian
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 831 Issue: 2 Pages: 11-15
  • DOI: 10.3847/2041-8205/831/2/l11
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ion and electron dynamics generating the Hall current in the exhaust far downstream of the reconnection x-line (2016)
  • Author(s): K. Fujimoto; M. Takamoto
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Issue: 1
  • DOI: 10.1063/1.4940322
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TURBULENT RECONNECTION IN RELATIVISTIC PLASMAS AND EFFECTS OF COMPRESSIBILITY (2015)
  • Author(s): Takamoto, M., Inoue, T., & Lazarian, A.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 815 Issue: 1 Pages: 16-24
  • DOI: 10.1088/0004-637x/815/1/16
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Thermal synchrotron radiation from RRMHD simulations of the double tearing mode reconnection - Application to the Crab flares (2015)
  • Author(s): M. Takamoto; J. Petri; H. Baty
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 454 Issue: 3 Pages: 2972-2980
  • DOI: 10.1093/mnras/stv2163
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rapid Cosmic-ray Acceleration at Perpendicular Shocks in Supernova Remnants (2015)
  • Author(s): M. Takamoto; John G. Kirk
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 809 Issue: 1 Pages: 29-39
  • DOI: 10.1088/0004-637x/809/1/29
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Turbulent Effects on Relativistic Magnetic Reconnection (2017)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection
  • Place of Presentation: Himegin Hall, Matsuyama, Japan
  • Year and Date: 2017-03-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Burst Phenomena from Magnetic Reconnection and Turbulence in Poynting-Dominated Plasma (2017)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: Workshop "Challenges of AGN jets"
  • Place of Presentation: NAOJ, Mitaka, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2017-01-18
• [Presentation] "Effects of Turbulence on Relativistic Magnetic Reconnection in Poynting-Dominated Plasmas" (2017)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: "1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] "Double Tearing Mode (DTM) in Pulsar Striped Wind --Origin of Crab Gamma-Ray Flares?" (2017)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: "Variable Galactic Gamma-Ray Sources (IV)"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] "COMPRESSIBLE RELATIVISTIC MAGNETOHYDRODYNAMIC TURBULENCE IN MAGNETICALLY-DOMINATED PLASMAS AND IMPLICATIONS FOR A STRONG-COUPLING REGIME" (2017)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: 16th European Turbulence Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 『相対論的磁気リコネクション』 (2017)
  • Author(s): 高本 亮
  • Organizer: 「磁気流体プラズマで探る高エネルギー天体現象研究会」
  • Invited
• [Presentation] Cosmic-ray acceleration at perpendicular shocks and effects of MHD turbulence (2016)
  • Author(s): Makoto Takamoto, John Kirk
  • Organizer: The 6th International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomy
  • Place of Presentation: Heidelberg, Germany
  • Year and Date: 2016-07-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Turbulence in relativistic plasma -- from magnetohydrodynamic to kinetic regime (2016)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: 17th International Conference "Laser Optics 2016"
  • Place of Presentation: St. Petersburg, Russia
  • Year and Date: 2016-06-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relativistic Turbulent Reconnection and Application to Jet Acceleration (2016)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: Blazars through Sharp Multi-Wavelength Eyes
  • Place of Presentation: Malaga, Spain
  • Year and Date: 2016-05-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 相対論的磁気リコネクションにおける乱流の影響 (2016)
  • Author(s): 高本 亮
  • Organizer: 磁気リコネクション研究の最前線と今後の展望
  • Place of Presentation: 国立天文台（東京都三鷹市）
  • Year and Date: 2016-03-28
  • Invited
• [Presentation] Turbulent Reconnection in Relativistic Plasmas And Effects of Compressibility (2016)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: The 2nd STEPS Symposium on Photon Science
  • Place of Presentation: St. Petersburg (Russia)
  • Year and Date: 2016-03-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 相対論的乱流磁気リコネクションと相対論的磁気乱流--近年の相対論的磁気リコネクションの進展も含めて (2015)
  • Author(s): 高本 亮
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会 2015
  • Place of Presentation: 西伊豆戸田温泉（静岡県西伊豆）
  • Year and Date: 2015-11-25
• [Presentation] Rapid cosmic-ray acceleration at perpendicular shocks in supernova remnants (2015)
  • Author(s): Makoto Takamoto
  • Organizer: Relativistic Laboratory Astrophysics
  • Place of Presentation: Berlin (Germany)
  • Year and Date: 2015-11-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal Synchrotron Radiation from Relativistic Current Sheets in Poynting-Dominated Plasma (2015)
  • Author(s): 高本 亮
  • Organizer: SKAサイエンス会議 宇宙磁場2015
  • Place of Presentation: 鹿児島大学（鹿児島県鹿児島市）
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 相対論的乱流磁気リコネクションと相対論的outflowの加速 (2015)
  • Author(s): 高本 亮
  • Organizer: 日本天文学会 2015年秋期年会
  • Place of Presentation: 甲南大学（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-09-09
• [Book] Magnetic Reconnection, Astrophysics and Space Science Library (2016)
  • Author(s): Lazarian, A.; Kowal, G.; Takamoto, M.; de Gouveia Dal Pino, E. M.; Cho, J.
  • Total Pages: 542
  • Publisher: Springer International Publishing Switzerland