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超新星衝撃波における粒子加速シミュレーターの開発と宇宙線起源の解明

Research Project

Project/Area Number 20H01944
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 16010:Astronomy-related
Research InstitutionKonan University (2021-2023)
Nagoya University (2020)

Principal Investigator

井上 剛志  甲南大学, 理工学部, 教授 (90531294)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Keywords超新星残骸 / 宇宙線加速 / 磁気流体力学シミュレーション / 衝撃波 / 磁気流体力学 / シミュレーション / 超新星爆発 / 粒子加速 / 宇宙線 / 磁気流体シミュレーション
Outline of Research at the Start

星間空間には宇宙線と呼ばれるその起源が不明の超高エネルギー粒子が飛び回っている。宇宙線の中でも1PeVまでの粒子のエネルギースペクトルは単一のベキ則で表され、年齢が数百年程度の超新星残骸(SNR)が加速源であると信じられてきたが、近年の観測の進展によって、若いSNRで加速された宇宙線の最大エネルギーは100TeVに留まることが明らかになっている。本研究ではInoue (2019)で開発された画期的シミュレーションコードを用いて、SNRでのPeV宇宙線の加速条件を明らかにする。特に最近注目されている、爆発後数日の極めて若いSNRでのPeV加速の成否を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

宇宙線は最高エネルギーが10の20乗電子ボルト以上にも達する核子からなり、宇宙空間に広く分布しているが、 その加速天体や明確になっていないという大きな問題が存在する。宇宙線の中でもエネルギーが1PeV以下の粒子は年齢が数百年程度の超新星残骸(SNR)で加速されると信じられてきたが、近年のγ線天文学の進展により若いSNRであっても宇宙線の最高エネルギーは100TeV程度に留まることが明らかになっている。
SNRでの宇宙線粒子の加速機構としては、衝撃波近傍で磁気波動によって粒子が散乱され徐々に加速していくフェルミ加速が有力であると考えられている。しかしながら、フェルミ加速で粒子を1PeVまで加速する為には、1mGaussレベルの磁場強度が必要であり、この磁場強度は星間媒質の平均強度を大きく上回っている。加速に必要とされる磁場を増幅する機構は幾つか提唱されているが、中でもBell不安定と呼ばれる宇宙線と磁気流体の間に働く不安定が有効である。
本研究では申請者がこれまでに開発した衝撃波や磁場増幅といった磁気流体のダイナミクスと宇宙線の加速および伝搬のダイナミクスを同時にシミュレート可能な流体と宇宙線のハイブリッドコードを用いて宇宙線加速を解明することを目的とする。
本年度は昨年度までに終了した星周媒質が取り巻く超新星爆発ごく初期での宇宙線加速に替えて、より観測的な検証が容易な爆発後数百年が経過したSNRにおける宇宙線加速に焦点を当てた。このような環境下で特に重要となる、星間媒質の密度について特に重点的にパラメータを振ってシミュレーションを重ねた。その結果、前年度の成果と同様に、Bell不安定による磁場増幅レベルはこれまでに期待されたものよりも1桁程度小さく、その結果として実現される宇宙線の最大エネルギーは観測が示唆するエネルギーである数十TeV程度にとどまることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1PeVに及ぶ宇宙線加速が可能である環境をシミュレーションを用いて定量的に予言しただけに留まらず、今年度はこれまでに多くの観測的研究がなされている、爆発後数百年が経過した超新星残骸における宇宙線加速の直接シミュレーションに成功した。この研究成果は現在査読付き欧文論文誌に投稿すべく、論文を執筆中である。

Strategy for Future Research Activity

昨年度までの研究成果として得られた1PeVに及ぶ宇宙線加速は、重力崩壊型超新星爆発において、爆発後の10日程度後に達成される。このシミュレーションから得られた予言は、近年始動しはじめた最新のガンマ線望遠鏡である Cherenkov Telescope Array (CTA) による検出可能性が残されている。特に我々のモデルでは、爆発直前に星風密度が100倍程度増加するという最新の観測的知見を取り込んでおり、この効果によって加速された宇宙線を起源とするガンマ線が従来考えられてきたシナリオよりも増光されるはずである。これらの過程を考慮した100TeVエネルギー帯のガンマ線放射強度を予言することによってPeV宇宙線の起源天体の検証可能性を定量的に示していくことが今後必要となる。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] On the potential of faraday tomography to identify shock structures in supernova remnants2022

    • Author(s)
      Ideguchi Shinsuke、Inoue Tsuyoshi、Akahori Takuya、Takahashi Keitaro
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 513 Issue: 3 Pages: 3289-3301

    • DOI

      10.1093/mnras/stac1086

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nature of Supersonic Turbulence and Density Distribution Function in the Multiphase Interstellar Medium2022

    • Author(s)
      Kobayashi Masato I. N.、Inoue Tsuyoshi、Tomida Kengo、Iwasaki Kazunari、Nakatsugawa Hiroki
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 930 Issue: 1 Pages: 76-76

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac5a54

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Particle Acceleration Controlled by Ambient Density in the Southwestern Rim of RCW 862022

    • Author(s)
      Suzuki Hiromasa、Katsuda Satoru、Tanaka Takaaki、Sasaki Nobuaki、Inoue Tsuyoshi、Fraschetti Federico
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 938 Issue: 1 Pages: 59-59

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac8df7

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] X-ray line diagnostics of ion temperature at cosmic ray accelerating collisionless shocks2022

    • Author(s)
      Shimoda Jiro、Ohira Yutaka、Bamba Aya、Terada Yukikatsu、Yamazaki Ryo、Inoue Tsuyoshi、Tanaka Shuta J
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 74 Issue: 5 Pages: 1022-1040

    • DOI

      10.1093/pasj/psac053

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Direct Numerical Simulations of Cosmic-ray Acceleration at Dense Circumstellar Medium: Magnetic-field Amplification and Maximum Energy2021

    • Author(s)
      Inoue Tsuyoshi、Marcowith Alexandre、Giacinti Gwenael、Jan van Marle Allard、Nishino Shogo
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 922 Issue: 1 Pages: 7-7

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac21ce

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct Numerical Simulation of Cosmic-ray Acceleration at SNR shock wave2022

    • Author(s)
      Tsuyoshi Inoue, Alexandre Marcowith, Gwenael Giacinti, Allard Jan van Marle & Shogo Nishino
    • Organizer
      The 9th Eeast Asia Numerical Astrophysics Meeting
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bell不安定を分解した超新星残骸における宇宙線加速の直接シミュレーション2022

    • Author(s)
      井上剛志
    • Organizer
      高エネルギー宇宙物理学研究会2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 微視的磁場増幅過程を解像した超新星衝撃波による宇宙線加速シミュレーション2022

    • Author(s)
      井上剛志
    • Organizer
      宇宙線で繋ぐ文明・地球環境・太陽系・銀河
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] PeV Cosmic Ray Acceleration in the Supernova Post Breakout Expansion Phase: Kinetic-magnetohydrodynamic Simulations2021

    • Author(s)
      Tsuyoshi Inoue, Alexandre Marcowith, Gwenael Giacinti, Allard Jan van Marle & Shogo Nishino
    • Organizer
      37th International Cosmic Ray Conference
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 宇宙線のストリーミング不安定と粒子加速2021

    • Author(s)
      井上 剛志
    • Organizer
      低エネルギー宇宙線 workshop 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 微視的磁場増幅過程を解像した超新星衝撃波による宇宙線加速シミュレーション2021

    • Author(s)
      井上 剛志、安部 大晟、前田 龍之介
    • Organizer
      日本天文学会2021年春季年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Can Supernova Shock Wave be Accelerator of 1 PeV Particles?2020

    • Author(s)
      Tsuyoshi Inoue, Alexandre Marcowith, Gwenael Giacinti & Shogo Nishino
    • Organizer
      4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physic
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 超新星残骸はPeVatronになれるのか?2020

    • Author(s)
      井上 剛志
    • Organizer
      SNR workshop 2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 衝撃波における粒子加速シミュレーションコードの開発と超新星衝撃波への応用2020

    • Author(s)
      西野 将悟、井上 剛志
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2023-12-25  

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