天体衝撃波における高強度コヒーレント放射についての数値的研究

• Project/Area Number: 20J00280
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 岩本 昌倫 九州大学, 総合理工学研究院, 特別研究員(PD) (00888810)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 無衝突衝撃波 / プラズマ不安定 / 高エネルギー天体 / 粒子加速

Outline of Research at the Start

相対論的衝撃波は宇宙空間に遍在しており、宇宙線、すなわち非熱的な高エネルギー粒子の生成場所だと考えられている。相対論的衝撃波の特徴として、シンクロトロンメーザー不安定による高強度電磁波放射が挙げられる。この高強度電磁波は衝撃波上流に伝搬し、航跡場を励起することが数値計算を用いて示されている。さらには、この航跡場の伝播に伴い非熱的粒子が生成されることが示されており、相対論的衝撃波における加速機構の有力な候補の一つである。本研究では、航跡場による非熱的な高エネルギー粒子生成を理論的に立証することで、高エネルギー天体における宇宙線生成を理論的に検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、天体衝撃波からの高強度コヒーレント放射を第一原理数値シミュレーションを用いて解明することである。この放射は近年では高速電波バーストをはじめとした高エネルギー天体の放射機構として応用され、注目されている。この第一原理数値シミュレーションは膨大な数の粒子全てに対して運動方程式を解くため計算コストが極めて高いが、本研究は2022年度のHPCI若手課題として採択され、名古屋大学の「不老」を利用することで十分な計算資源を確保することができた。この成果は査読付き国際学術誌The Astrophysical Journalから出版されている。本年度は前年度から引き続き「富岳」成果創出加速プログラム「宇宙の構造形成と進化から惑星表層環境変動までの統一的描像の構築」に参加して富岳を利用し、イオン・電子系での３次元相対論的衝撃波計算を行った。この数値計算結果の解析はすでに終了しており、現在は投稿準備中である。
また、2021年9月から2023年3月までコロンビア大学のLorenzo Sironi助教のもとに長期滞在して、国際的な共同研究を行った。Lorenzo Sironi助教のポスドクであるEmanuele Sobacchi氏とも協力し、
共著論文として査読付き国際学術誌Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyから出版した。さらに高強度コヒーレント放射と天体プラズマの非線形相互作用についての第一原理数値シミュレーションを行い、この成果は第一著者としてMonthly Notices of the Royal Astronomical Societyに投稿済みである。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Columbia University(米国)
• [Int'l Joint Research] The Hebrew University(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Columbia University(米国)
• [Int'l Joint Research] ポツダム大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ポーランド科学アカデミー(ポーランド)
• [Journal Article] Saturation of the Filamentation Instability and Dispersion Measure of Fast Radio Bursts (2023)
  • Author(s): Sobacchi Emanuele、Lyubarsky Yuri、Beloborodov Andrei M.、Sironi Lorenzo、Iwamoto Masanori
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 943 Issue: 2 Pages: L21-L21
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acb260
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle Acceleration by Pickup Process Upstream of Relativistic Shocks (2022)
  • Author(s): Iwamoto Masanori、Amano Takanobu、Matsumoto Yosuke、Matsukiyo Shuichi、Hoshino Masahiro
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 924 Issue: 2 Pages: 108-108
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac38aa
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mildly relativistic magnetized shocks in electron-ion plasmas - II. Particle acceleration and heating (2021)
  • Author(s): Ligorini Arianna、Niemiec Jacek、Kobzar Oleh、Iwamoto Masanori、Bohdan Artem、Pohl Martin、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Matsukiyo Shuichi、Hoshino Masahiro
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 502 Issue: 4 Pages: 5065-5074
  • DOI: 10.1093/mnras/stab220
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mildly relativistic magnetized shocks in electron ion plasmas: I. Electromagnetic shock structure (2020)
  • Author(s): Ligorini Arianna、Niemiec Jacek、Kobzar Oleh、Iwamoto Masanori、Bohdan Artem、Pohl Martin、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Matsukiyo Shuichi、Esaki Yodai、Hoshino Masahiro
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 501 Issue: 4 Pages: 4837-4849
  • DOI: 10.1093/mnras/staa3901
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 3D PIC Simulation of Coherent Emission from Relativistic Shocks (2022)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 3D PIC Simulation of Coherent Emission from Relativistic Shocks (2022)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Shuichi Matsukiyo, Masahiro Hoshino
  • Organizer: The International Conference on Numerical Simulation of Plasmas
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Coherent Emission from Relativistic Shocks (2022)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Shuichi Matsukiyo, Masahiro Hoshino
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PIC Simulations of Particle Acceleration in Magnetized Relativistic Shocks (2022)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Shuichi Matsukiyo, Masahiro Hoshino
  • Organizer: XXVIII Cracow EPIPHANY Conference on Recent Advances in Astroparticle Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Wakefield Excitation and Associated Particle Acceleration in Relativistic Collisionless Shocks (2021)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Shuichi Matsukiyo, Masahiro Hoshino
  • Organizer: High Energy Density Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Particle-in-Cell Simulations of Synchrotron Maser Emission and Associated Particle Acceleration in Relativistic Shocks (2021)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Shuichi Matsukiyo, Masahiro Hoshino
  • Organizer: 37th International Cosmic Ray Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 相対論的衝撃波上流におけるピックアップ過程による粒子加速 (2021)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会
• [Presentation] 相対論的衝撃波上流におけるピックアップ過程による粒子加速 (2021)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] シンクロトロンメーザー放射に伴う相対論的ピックアップ過程 (2021)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 日本天文学会
• [Presentation] Synchrotron Maser Emission from Relativistic Shocks (2021)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合大会
• [Presentation] 2D PIC Simulations of Synchrotron Maser Instability in Relativistic Shocks (2021)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Shuichi Matsukiyo, Masahiro Hoshino
  • Organizer: YITP International Molecule-type Workshop Fast Radio Bursts: A Mystery Being Solved?
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Wakefield Excitation and Associated Particle Acceleration in Astrophysical Shocks (2020)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Masahiro Hoshino
  • Organizer: 4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Wakefield Excitation and Associated Particle Acceleration in Astrophysical Shocks (2020)
  • Author(s): Masanori Iwamoto, Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Masahiro Hoshino
  • Organizer: Workshop on Laboratory Astrophysics: Novel Development in Nonlinear Plasma Physics with Lasers
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 相対論的衝撃波における航跡場の励起に伴う粒子加速 (2020)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 第３３回理論懇シンポジウム
• [Presentation] 相対論的衝撃波における航跡場の励起に伴う粒子加速 (2020)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会
• [Presentation] Synchrotron Maser Emission and Associated Particle Acceleration in Relativistic Shocks (2020)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] 相対論的衝撃波におけるシンクロトロンメーザー放射に伴う粒子加速 (2020)
  • Author(s): 岩本昌倫、天野孝伸、松本洋介、松清修一、星野真弘
  • Organizer: 日本天文学会