相対論的ドリフト電流を持つプラズマシートの磁気リコネクション
Project/Area Number |
20K20908
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Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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Research Institution | The University of Tokyo |
Principal Investigator |
星野 真弘 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90241257)
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Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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Keywords | 磁気リコネクション / 相対論的プラズマ / 粒子加速 / 高エネルギー天体 / 相対論プラズマ / パルサー風 / 非線形 / 無衝突プラズマ / プラズマ加熱 |
Outline of Research at the Start |
磁気リコネクションは、磁場の極性が反転する電流層に閉じ込められたプラズマが磁力線のつなぎ替えにより起きる不安定で、磁場エネルギーを熱エネルギーや運動エネルギーに効率よく変換するメカニズムである。リコネクションは、太陽フレアや地球磁気圏サブストームなどの磁気爆発現象の解明や、核融合プラズマでのディスラプション現象を制御する物理過程として数多くの研究がなされてきている。またパルサー磁気圏やマグネター、宇宙ジェット等の相対論的高温プラズマでの現象の理解にも欠かせない物理機構として注目されている。本研究では、プラズマシートの電流のドリフト速度が光速に近くなる場合の磁気リコネクションについて研究する。
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Outline of Annual Research Achievements |
磁気リコネクションは、実験室プラズマから磁気圏、宇宙において普遍的にみられるプラズマ素過程であり、磁気エネルギーを解放しプラズマを加熱し非熱的粒子も効率的に生成する機構として活発な研究が行われてきている。また近年とりわけ、高エネルギー天体現象において、爆発的にX線やガンマ線を放射するメカニズムとしても注目されている。
天体現象で重要となる相対論的高温プラズマでのリコネクションについて、本研究では、プラズマ粒子シミュレーションを用いて研究を進めてきたが、昨年までに、当初の目標であった、電流層のドリフト速度が相対論になった時のリコネクションの成長への影響についてほぼ決着がついたので、本年度からは、これまでの研究を深化させ、リコネクションでの非熱的粒子の生成について調べた。具体的には、磁場エネルギーが解放された結果、熱的エネルギーと非熱的エネルギーにどのように配分されるかについて、粒子シミュレーションを用いて調べた。様々な要因に左右される複雑なリコネクション過程を単純化するために、電子と陽電子のペアプラズマを仮定し、更にプラズマシートの電子慣性長に対する厚みは固定して、プラズマシート温度と縦磁場の強さの関数として、熱的エネルギーと非熱的エネルギーの分配について調べた。過去の研究では縦磁場効果を入れていなかったので、今回は縦磁場効果を付け加えたことが新しい視点である。
空間2次元の粒子シミュレーションの結果、初期のプラズマ温度が相対論的高温の時は、リコネクションによって生成された高温プラズマのエネルギー密度の90%以上が非熱的成分となり、一方初期のプラズマ温度が非相対論的になると、非熱的粒子の生成の効率が下がることが分かった。また、縦磁場が大きくなると非熱的粒子の生成率がさがることが明らかになった。この結果は The Astrophysical Journalに出版された。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナ禍のために、国内外での研究交流が限定的であったが、当初の目的であった相対論的な速度でドリフト運動する場合のリコネクションの成長過程については、およそ解決することができたので、次のステップの課題として、リコネクションでの非熱的粒子生成について研究をすすめており、その初期成果を Astrophysical Journalに発表した。
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Strategy for Future Research Activity |
コロナ禍で出張が限られ研究交流が限定的であったが、現在はコロナ禍が終息しつつあり、今後は国内外の交流を開始し、更に議論を深めて、最終成果を纏めていく予定である。特に、これまでは空間2次元でのPICシミュレーションを行ってきたが、3次元計算に向けた取り組みも開始する、
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Report
(3 results)
Research Products
(21 results)
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[Journal Article] Direct observations of pure electron outflow in magnetic reconnection2022
Author(s)
Sakai K.、Moritaka T.、Morita T.、Tomita K.、Minami T.、Nishimoto T.、Egashira S.、Ota M.、Sakawa Y.、Ozaki N.、Kodama R.、Kojima T.、Takezaki T.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Koenig M.、Albertazzi B.、Mabey P.、Woolsey N.、Matsukiyo S.、Takabe H.、Hoshino M.、Kuramitsu Y.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 12
Issue: 1
Pages: 1-9
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Pre-flight Calibration and Near-Earth Commissioning Results of the Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE) Onboard MMO (Mio)2021
Author(s)
Y. Saito, D. Delcourt, M. Hirahara S. Barabash, N. Andre, T. Takashima, K. Asamura, S. Yokota et al.o, M. Fujimoto, N. Terada, K. Keika, BepiColombo Mio/MPPE Team
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Journal Title
Space Science Reviews
Volume: 217
Issue: 5
Pages: 70-70
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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