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Particle Acceleration and Heating by the Turbulence in the Interstellar / Intracluster Gas and Nonequilibrium Radiation due to Quasi-Thermal Electrons

Research Project

Project/Area Number 15K05024
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Research Field Astronomy
Research InstitutionTokyo Metropolitan University

Principal Investigator

Masai Kuniaki  首都大学東京, 理学研究科, 教授 (80181626)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2017: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2016: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2015: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Keywords乱流 / 2次Fermi加速 / Fokker-Planck方程式 / 準熱的粒子 / 銀河団 / 電波ハロー / 冷却コア / 非平衡放射 / 非平衡熱的放射 / 分布関数 / 乱流加速
Outline of Final Research Achievements

Particle acceleration by the turbulence is investigated with a Fokker-Planck code which calculates the advection and diffusion in the momentum space, and applied to the intracluster gas of galaxy clusters. We have developed the code considering higher-order terms due to small-angle scattering into the advection and/or diffusion coefficients, intending to describe heating as well as acceleration. For the turbulence of 500 km/s decaying to less than 170 km/s in 1 Gyr through inverse cascade, it is found that the cool core of a cluster is heated to about twice the temperature before, and accelerated electrons emit synchrotron radio as intense as observed from radio halos. Also found is that while the radio emission lasts for a long time, hard X-ray emission declines quickly after the turbulence decay.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

乱流による加速は,衝撃波加速と相補的に,宇宙の高エネルギー粒子加速において重要な物理過程であり,衝撃波に比べて加速時間がかかるが硬いスペクトルをつくれるという特徴がある.銀河団ガスでは,衝撃波と同様に,乱流による加熱が期待されるが,分布関数で実証した例は少なく,あっても拡散係数に変更を加えるものであった.本研究では,拡散係数を高次の項まで考慮することで加速・加熱を整合的に示すことができた.インジェクション項を持たない2次Fermi加速過程をより適切に扱う一つの方法を示したと言え,広く,宇宙の高エネルギー粒子や星間・銀河間ガスの加熱の理解に寄与するものと考える.

Report

(5 results)
  • 2018 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2017 Research-status Report
  • 2016 Research-status Report
  • 2015 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2019 2018 2017 2016 2015

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (12 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Semi-analytical Model for Wind-fed Black Hole High-mass X-ray Binaries - State Transition Triggered by Magnetic Fields from the Companion Star2017

    • Author(s)
      K. Yaji, S. Yamada, K. Masai
    • Journal Title

      Astrophysical Journal

      Volume: 847 Issue: 2 Pages: 10-20

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aa88d3

    • Related Report
      2017 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Multi-year X-ray variations of Iron-K and Continuum Emissions in the Young Supernoca Remnant Cassioeia A2017

    • Author(s)
      Toshiki Sato, Yoshitomo Maeda, Aya Bamba, Satoru Katsuda, Yutaka Ohira, Ryo Yamazaki, Kuniaki Masai, Hironori Matsumoto, Makoto Sawada, Yukikatsu Terada, John P. Hughes & Manabu Ishida
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 836 Issue: 2 Pages: 225-235

    • DOI

      10.3847/1538-4357/836/2/225

    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 超巨大ブラックホールの活動と M - σ relation への影響2019

    • Author(s)
      福田晋久,谷治健太郎,政井邦昭,上田佳宏
    • Organizer
      日本天文学会 2019年春季年会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 超巨大質量ブラックホールの活動と銀河の進化に対するその影響2018

    • Author(s)
      福田晋久,谷治健太郎,政井邦昭
    • Organizer
      日本天文学会 2018年秋季年会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] PhoENiXへの期待:宇宙プラズマ物理の視点から2018

    • Author(s)
      政井邦昭
    • Organizer
      宇宙プラズマにおける粒子加速ワークショップ
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 宇宙プラズマ:未だ分かっていない物理過程2017

    • Author(s)
      政井邦昭
    • Organizer
      高宇連研究会2017
    • Place of Presentation
      名古屋大学 (名古屋市)
    • Year and Date
      2017-03-09
    • Related Report
      2016 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 恒星風降着X線連星系における準解析的状態遷移モデル2017

    • Author(s)
      谷治健太郎, 山田真也, 政井邦昭
    • Organizer
      高エネルギー宇宙物理学研究会2017
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      2017 Research-status Report
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    • Author(s)
      福田晋久, 谷治健太郎, 政井邦昭
    • Organizer
      日本天文学会2017年秋季年会
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  • [Presentation] 恒星風降着X線連星系における準解析的状態遷移モデル2017

    • Author(s)
      谷治健太郎,山田真也,政井邦昭
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      ブラックホール降着流ミニワークショップ
    • Place of Presentation
      千葉大学 (千葉市)
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  • [Presentation] 連星系における光電離を考慮した Bondi-Hoyle-Lyttleton 降着2016

    • Author(s)
      谷治健太郎,政井邦昭
    • Organizer
      HEAP2016 高エネルギー宇宙物理学研究会
    • Place of Presentation
      青山学院大学 (相模原市)
    • Year and Date
      2016-11-30
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  • [Presentation] High Mass X-ray Binary における恒星風と降着流の整合性2016

    • Author(s)
      谷治健太郎,山田真也,政井邦昭
    • Organizer
      日本天文学会2016年秋季年会
    • Place of Presentation
      愛媛大学 (松山市)
    • Year and Date
      2016-09-14
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  • [Presentation] 恒星風へのフィードバックを考慮した High Mass X-Ray Binary の質量降着モデル2016

    • Author(s)
      谷治健太郎,政井邦昭,山田真也
    • Organizer
      日本天文学会2016年春季年会
    • Place of Presentation
      東京都八王子市 (首都大学東京)
    • Year and Date
      2016-03-16
    • Related Report
      2015 Research-status Report
  • [Presentation] 銀河団ガスにおける乱流による粒子加速と加熱2016

    • Author(s)
      清水崇文,木村聖人,立石琢磨,政井邦昭
    • Organizer
      日本天文学会2016年春季年会
    • Place of Presentation
      東京都八王子市 (首都大学東京)
    • Year and Date
      2016-03-14
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      2015 Research-status Report
  • [Presentation] 2次Fermi加速/加熱とFokker-Planck方程式2015

    • Author(s)
      政井邦昭,清水崇文
    • Organizer
      高エネルギー宇宙物理研究会2015
    • Place of Presentation
      静岡県沼津市
    • Year and Date
      2015-11-26
    • Related Report
      2015 Research-status Report

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Published: 2015-04-16   Modified: 2020-03-30  

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