Kinetic modeling of particle acceleration in solar flares

• Project/Area Number: 21K03627
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 銭谷 誠司 神戸大学, 都市安全研究センター, 特命准教授 (10623952)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: プラズマ粒子シミュレーション / 磁気リコネクション / カッパ分布 / 相対論的カッパ分布 / Buneman-Boris法 / Hyper Boris法 / 数値解法 / 高次精度 / 太陽フレア / 粒子加速

Outline of Research at the Start

プラズマ運動論の立場から、太陽フレアにおける非熱的粒子の加速メカニズムの解明に挑む。プラズマ粒子の運動を逐一解き進めるプラズマ粒子シミュレーションを用いて、太陽フレアを模した設定でシミュレーションを実行して結果を解析し、太陽フレア領域におけるプラズマ粒子の加速過程と加速場 所を推定する。そして、太陽フレアによる高エネルギー粒子加速の初の運動論プラズマモデルを構築することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

太陽フレアによる粒子加速現象を理解するため、超並列対応のプラズマ粒子シミュレーションコードを用いて基礎問題をセットアップし、テスト計算を実行した。そして、コードの動作を確認し、磁気リコネクションに伴って一定量の電子の加速・加熱が生じることを確認した。引き続き、初期データの解析とより大規模な計算の準備に取り組んでいく。関連して、相対論的磁気リコネクションに伴う粒子加速問題にも取り組み、磁気流体近似で表すことのできない非理想電場が重要な役割を果たすことを明らかにした。
太陽フレアを含む太陽圏プラズマ研究では、熱的なマクスウェル分布と高エネルギーのべき乗成分を統一的に扱う「カッパ分布」という速度分布関数を扱うことが多い。しかし、カッパ分布を粒子シミュレーション内で準備する方法はあまり知られていなかった。そこで我々は、カッパ分布（＝多変量t分布）を乱数生成するアルゴリズムに加えて、カッパ分布を相対論的エネルギーにまで拡張した「相対論的カッパ分布」を乱数生成するアルゴリズムを考案した。さらにCanfield (1987)のアルゴリズムを改良した「修正Canfield法」を開発し、相対論的マクスウェル分布などの相対論的速度分布の生成効率を向上することに成功した。プラズマ粒子シミュレーションの根幹である粒子の運動方程式部分でも、標準解法である「(Buneman-)Boris法」をn回のサブサイクリングとN次の高次精度化を組み合わせて大幅に高精度化する「Hyper Boris法」を考案した。著者の異動などのため準備が遅れたものの、Hyper Boris法についての論文を近日中に論文投稿する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] オーストリア科学アカデミー(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] マレーシア国民大学(マレーシア)
• [Int'l Joint Research] プリンストン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] オーストリア科学アカデミー(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] マレーシア国民大学(マレーシア)
• [Journal Article] Spatial and time scaling of coalescing multiple magnetic islands (2023)
  • Author(s): Nakamura T. K. M.、Teh W.-L.、Zenitani S.、Umeda T.、Oka M.、Hasegawa H.、Veronig A. M.、Nakamura R.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 30 Issue: 2 Pages: 022902-022902
  • DOI: 10.1063/5.0127107
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New Aspects of Energy Conversion in Magnetic Island Dynamics: Particle-in-cell Simulation of Multiple Island Coalescence and MMS Observations (2023)
  • Author(s): Teh W.-L.、Nakamura T. K. M.、Zenitani S.、Umeda T.、Nakamura R.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 947 Issue: 1 Pages: 4-4
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acc2bf
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exact Calculation of Nonideal Fields Demonstrates Dominance of Injection in Relativistic Reconnection (2023)
  • Author(s): S. Totorica, S. Zenitani, M. Machida, S. Matsukiyo, K. Sekiguchi, and A. Bhattacharjee
  • Journal Title: Astrophysical Journal Letters Volume: ー
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Loading a relativistic Kappa distribution in particle simulations (2022)
  • Author(s): Seiji Zenitani, Shin'ya Nakano
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 29 Issue: 11 Pages: 113904-113904
  • DOI: 10.1063/5.0117628
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Relativistic Maxwellian mixture model (2021)
  • Author(s): Ueno Genta、Zenitani Seiji
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 28 Issue: 12 Pages: 122106-122106
  • DOI: 10.1063/5.0059126
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Plasmoid-dominated turbulent reconnection in symmetric and asymmetric systems (2022)
  • Author(s): Seiji Zenitani, Momoka Yamamoto, Takahiro Miyoshi
  • Organizer: US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hyper Boris integrators for particle-in-cell simulations (2022)
  • Author(s): Seiji Zenitani, Tsunehiko Kato
  • Organizer: NINS International Research Collaboration Center Astro-fusion Plasma Physics (IRCC-AFP) meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multiple Boris solvers for particle-in-cell (PIC) simulation (2022)
  • Author(s): Seiji Zenitani, Tsunehiko Kato
  • Organizer: The 31st International Toki Conference on Plasma and Fusion Research (ITC31)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Loading kappa distributions in particle-in-cell simulations (2022)
  • Author(s): Seiji Zenitani, Shin'ya Nakano
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁気リコネクションにおけるプラズマ粒子軌道研究の進展 (2022)
  • Author(s): 銭谷誠司
  • Organizer: プラズマ・核融合学会
  • Invited
• [Presentation] Particle dynamics in collisionless magnetic reconnection (2021)
  • Author(s): Seiji Zenitani
  • Organizer: International Conference on High Energy Density Sciences 2021 (HEDS2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Particle dynamics and nongyrotropic velocity distribution functions in magnetic reconnection (2021)
  • Author(s): Seiji Zenitani
  • Organizer: International Workshop on Magnetic Reconnection 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] プラズモイド型乱流リコネクションの磁気流体シミュレーション研究 (2021)
  • Author(s): 銭谷誠司
  • Organizer: プラズマシミュレーターシンポジウム2021
  • Invited
• [Presentation] 宇宙・太陽・天体プラズマにおける粒子加速研究の将来構想 (2021)
  • Author(s): 銭谷誠司、今田晋亮、篠原育、SGEPSS粒子加速研究分科会
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第150回総会及び講演会
  • Invited
• [Presentation] 乱流磁気リコネクションのシミュレーション研究とGPU時代の展望 (2021)
  • Author(s): 銭谷誠司
  • Organizer: ISEE研究集会「太陽地球圏環境予測のためのモデル研究の展望」
  • Invited