Analyses and Verification of Particle Acceleration and Scattering by Electromagnetic Cyclotron Waves in Space Plasmas

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H06140
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 大村 善治 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (50177002)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 天野 孝伸 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00514853) ; 篠原 育 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (20301723) ; 齋藤 義文 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (30260011)
• Project Period (FY): 2017-05-31 – 2022-03-31
• Keywords: プラズマ波動 / 放射線帯 / 電子加速 / 非線形過程 / 波動粒子相互作用 / 磁気圏 / 宇宙プラズマ / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

放射線帯のモデリングとして、斜め伝搬コーラス波動と電子の相互作用によるグリーン関数のデータベースの構築を進め、さらにヒス放射による放射線帯電子のピッチ角散乱を調べるために、内部磁気圏におけるヒス放射の観測データの解析を行った。
「あらせ」衛星の観測により，コーラス波の発生に伴って30秒以内の速い時間スケールで，エネルギーの高い電子が新たに生まれていることが見出された．被加速高エネルギー電子は，コーラス波と相互作用できることを理論的に確認しており，コーラス波による急速な電子加速メカニズムが可能であることを観測的に示したこと（Kurita et al., 2018)，など，「あらせ」衛星観測によるコーラス波と電子加速・散乱に関する研究を着実に進めている．
MMS衛星のデータ解析により、電磁イオンサイクロトロン波動とイオンが相互作用し、非線形理論で予想されるイオンホールが形成していることを示すことに成功した結果がScience誌に受理され出版された。MMS衛星観測から示唆された電子サイクロトロン波によるピッチ角散乱の効果を取り入れた衝撃波における電子加速モデルを構築し、これをもとにMMS衛星観測データの詳細解析を行った。
「感度は低いが超小型」のアナライザーについて、超小型粒子観測器の14個のセンサーエレメントをピーク樹脂で製作した。更に、樹脂製センサーエレメントに導電性を与えるためのメタライゼーション処理を行い、センサー電極として機能するエレメントの製作に成功した。また、宇宙プラズマ中での加速をその場で捉えるために必要となる多点同時観測を可能とする衛星群観測で必要となるプラズマ波動観測器の超小型化を特定用途集積回路(ASIC)の設計・開発によりチップ化して実現した。スペクトル型、波形捕捉型の両タイプを同時に実現できる受信器チップで、従来のサイズ、重量において1桁の小型化が実現できる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

斜め伝搬コーラス波動と相対論的電子による粒子加速機構の理論解析を進めている。電子密度の高い部分がプラズマ圏の外側に伸びるプルームの中でヒス放射げ見つかり、その周波数スペクトルの特性からその波動の発生原因として非線形波動成長理論を検証した。
あらせ衛星の観測運用・データ処理は順調に進んで折り，内部磁気圏における電磁サイクロトロン波による高エネルギー電子の加速・散乱機構に関する良質なデータを蓄積することができている．あらせ衛星のデータから，地球の放射線帯において高エネルギー電子のプラズマ波動を介した加速や散乱の寄与が無視できないことを示す，観測的研究成果があがっている。
MMS衛星による電子サイクロトロン(ホイッスラーモード)波動の解析を推進するために、データが入手出来ている全期間に対して、周波数解析を行い、波動の有無が確認できるプロットの作成を進め、今後より詳細な研究が可能なイベント例を選定している。衝撃波のMMS観測については、電子加速の効率の良いイベントでは電子サイクロトロン波の強度が電子加速の理論モデルから予測される必要条件を満たすことが分かった。これはピッチ角散乱が十分強く働き、効率的な電子の閉じ込めが起こっていることを意味する。
超小型粒子観測器の14個のセンサーエレメントの製作に成功したことに加えて、2019年度に実施する予定の特性取得試験に用いる試験治具やイオン・電子を検出するための検出器（MCP）も入手済であるため、概ね順調に進捗していると言える。
プラズマ波動観測器のチップの高度化(広帯域化、線形性の改善等)に取り組む他、波動粒子相互作用をこのチップと組み合わせて捉えることができるよう、プラズマ粒子観測器からその粒子捕捉情報をプラズマ波動観測器に入力するためのチップの開発に取り組んでいる。

Strategy for Future Research Activity

斜め伝搬コーラス放射による粒子加速機構の理論解析を進め、観測データとの比較を行う。また、斜め伝搬コーラス放射による放射線帯形成過程のシミュレーションとして、本年度構築したグリーン関数データベースの畳込積分を実行し、有効な加速と相対論的電子のフラックス形成が短時間に起こることを検証する。
あらせ衛星の観測は順調に継続されており，太陽活動極小期を経て、地磁気活動が活発化するフェーズに向けて，新たな観測的知見を期待できる．また，MMS衛星やGeotail衛星との磁気圏夜側における同時観測データが得られており、電磁サイクロトロン波動を励起する磁気圏側からの注入現象との関連にまで研究を進める予定である。
MMS衛星のデータから選定されたサイクロトロン波動のイベント例について、波動の空間スケール、波動粒子相互作用の非線形性をコントロールするパラメータ等について解析を進めていく。
2019年度には、14個の超小型軽量のセンサーエレメントを複数並べることで必要な感度を確保する超小型粒子観測器の特性取得試験を行うのと並行して、検出器からの信号を検出するためのアナログASICの試作を行うことで、最終的な目標である、超小型粒子観測器の完成に向けて研究を進める予定である。ASIC開発を通して、プラズマ波動観測器も、プラズマ粒子センサーからの信号をプラズマ波動観測器に入力するための部分も、すべてチップ化して超小型化する方針で
開発を進めている。
サイクロトロン運動する粒子軌道の数値解法を高精度化する方法としては、部分厳密解を使う他に、特定部分の時間ステップを細かくするサブサイクリングも有効である。そこで、サブサイクリングを取り入れたPIC数値解法を開発・評価する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Indian Insitute of Geomagnetism(インド)
  • Country Name: INDIA
  • Counterpart Institution: Indian Insitute of Geomagnetism
• [Int'l Joint Research] Peking University(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Peking University
• [Int'l Joint Research] Institute of Atmospheric Physics(チェコ)
  • Country Name: CZECH
  • Counterpart Institution: Institute of Atmospheric Physics
• [Int'l Joint Research] Massachusetts Institute of Technology/University of Colorado/University of Iowa, Iowa(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Massachusetts Institute of Technology/University of Colorado/University of Iowa, Iowa
• [Int'l Joint Research] Memorial University of Newfoundland(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: Memorial University of Newfoundland
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 1
• [Journal Article] Evaluation of plasma properties from chorus waves observed at the generation region (2019)
  • Author(s): Juhasz, L., Omura, Y., Lichtenberger, J., Friedel, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 124 Pages: 4125-4136
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2018JA026337
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel nonlinear mechanism of the generation of non-thermal continuum radiation (2019)
  • Author(s): M. Horky, Y. Omura
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 26 Pages: 022904
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5077094
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a miniaturized spectrum-type plasma wave receiver comprising an application-specific integrated circuit analog front end and a field-programmable gate array (2019)
  • Author(s): Zushi, T., H. Kojima, Y. Kasahara, and T. Hamano
  • Journal Title: Meas. Sci. Technol. Volume: 30 Pages: 1
  • DOI: 10.1088/1361-6501/ab0821,
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fine Structure of Whistler Mode Hiss in Plasmaspheric Plumes Observed by the Van Allen Probes (2018)
  • Author(s): S. Nakamura, Y. Omura, D. Summers
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 123 Pages: 9055-9064
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2018JA025803
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characteristics of subpacket structures in ground EMIC wave observations (2018)
  • Author(s): B. Kakad, Y. Omura, A. Kakad, A. Upadhyay, A. Shinha,
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 123 Pages: 8358-8376
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2018JA025473
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microscopic Observations of Pulsating Aurora Associated With Chorus Element Structures: Coordinated Arase Satellite-PWING Observations (2018)
  • Author(s): Ozaki, M., K. Shiokawa, Y. Miyoshi, K. Hosokawa, S. Oyama, S. Yagitani, Y. Kasahara, et al.
  • Journal Title: Geophys. Res. Lett. Volume: 45 Pages: 12125-12134
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2018GL079812
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Instantaneous frequency analysis on nonlinear EMIC emissions: Arase observation (2018)
  • Author(s): Shoji, M., Y. Miyoshi, Y. Omura, L. M. Kistler, Y. Kasaba, S. Matsuda, Y. Kasahara, A. Matsuoka, R. Nomura, K. Ishisaka, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, S. Yagitani, M. Teramoto, K. Asamura, T. Takashima, and I. Shinohara
  • Journal Title: Geophys. Res. Lett. Volume: 45 Pages: 13199-13205
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2018GL079765
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nonlinear damping of oblique whistler mode waves via Landau resonance. Journal of Geophysical Research: Space Physics (2018)
  • Author(s): Y. Hsieh, Y. Omura
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 123 Pages: 7462-7472
  • DOI: 10.1029/2018JA025848
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On the Boris solver in particle-in-cell simulation (2018)
  • Author(s): S. Zenitani and T. Umeda
  • Journal Title: Phys. Plasmas Volume: 25 Pages: 112110
  • DOI: 10.1063/1.5051077
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nonlinear drift resonance between charged particles and ultralow frequency waves: Theory and observations (2018)
  • Author(s): Li, L., X.-Z. Zhou, Y. Omura, Z.-H. Wang, Q.-G. Zong, et al.,
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 45 Pages: 8773-8782
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2018GL079038
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconnecting the dots: Particle dynamics in magnetic reconnection (2019)
  • Author(s): Seiji Zenitani
  • Organizer: Max-Planck Princeton Center for Plasma Physics (MPPC) Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Generation of lower-band and upper-band chorus emissions and associated acceleration of energetic electrons (2018)
  • Author(s): Y. Omura, Y. Hsieh
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-dimensional Particle-In-Cell Simulations for High Mach Number Collisionless Shocks (2018)
  • Author(s): 32.Amano, T., Katou, N., Kitamura, N., Matsumoto, Y., Oka, M., Hoshino, M.
  • Organizer: AAPPS-DPP 2018 (2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electron physics near the X-line in asymmetric magnetic reconnection (2018)
  • Author(s): S. Zenitani, H. Hasegawa, T. Nagai
  • Organizer: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nonthermal Electron Acceleration at Earth’s Bow Shock: Theory, Simulation and Observation (2018)
  • Author(s): 36.Amano, T., Katou, N., Kitamura, N., Matsumoto, Y., Oka, M., Hoshino, M.
  • Organizer: ISSS-13 (The 13th International School/Symposium for Space Simulations)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electron Particle Dynamics in Collisionless Magnetic Reconnection (2018)
  • Author(s): S. Zenitani
  • Organizer: The 13th International School/Symposium for Space Simulations (ISSS-13)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Stochastic Shock Drift Acceleration for Electrons (2018)
  • Author(s): Amano, T., Katou, N., Matsumoto, Y., Hoshino, M.
  • Organizer: EASW8 (8th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasmas),
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Stationary wave condition of oblique whistler mode waves regarding Landau resonance (2018)
  • Author(s): Y. Hsieh and Y. Omura
  • Organizer: JpGU meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-resonant acceleration of He+ by EMIC waves observed by MMS in the magnetosphere (2018)
  • Author(s): N. Kitamura et al.
  • Organizer: JpGU meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electrons observed in the plasma sheet near the outer radiation belt, (2018)
  • Author(s): I. Shinohara et al.
  • Organizer: JpGU meeting 2018,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reimei and FAST observations on acceleration and transport processes of the electrons and ions in the midnight auroral regions (2018)
  • Author(s): Masafumi Hirahara and Naritoshi Kitamura
  • Organizer: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [Presentation] Strong diffusion of hot electrons powering diffuse aurora (2018)
  • Author(s): Kasahara, S., Miyoshi, Y., Yokota, S., Kasahara, Y., Matsuda, S., Kumamoto, A., Matsuoka, A., Frey, H.U., Angelopoulos, V., Kurita, S., Keika, K., Hori, T., Shinohara, I.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Deformation of electron pitch angle distributions caused by upper-band chorus observed by the Arase satellite (2018)
  • Author(s): Kurita, S., Miyoshi, Y., Kasahara, S., Yokota, S., Kasahara, Y., Matsuda, S., Kumamoto, A., Matsuoka, A., Shinohara, I.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Substorm injection like signatures of energetic electrons observed at the plasma sheet boundary, (2018)
  • Author(s): Shinohara, I., Nagai, T., Mitani, T., Kasahara, S., Kazama, Y., Wang, S.Y., Tam, S.W.Y., Higashio, N., Matsuoka, A., Asamura, K., Yokota, S., Takashima, T., Miyoshi, Y.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electrons observed in the plasma sheet near the outer radiation belt (2018)
  • Author(s): Iku Shinohara, Tsugunobu Nagai et al.
  • Organizer: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS) 総会および講演会
• [Presentation] Energetic electrons observed in the plasma sheet near the outer radiation belt (2018)
  • Author(s): 篠原 育, 長井 嗣信, 三谷 烈史, 笠原 慧, 風間 洋一, Wang Shiang-Yu, Tam Sunny W. Y., 東尾 奈々, 松岡 彩子, 浅村 和史, 横田 勝一郎, 高島 健, 三好 由純
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アナログデジタル混載ASICを用いた新型ワンチップスペクトル受信器の開発 (2018)
  • Author(s): 頭師孝拓, 小嶋浩嗣, 笠原禎也, 濱野拓也, 高橋翼, 尾崎光紀, 八木谷聡, 徳永祐也, 鎌田俊介, 山川宏
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2018
• [Presentation] Nonlinear wave damping of slightly oblique whistler mode waves by Landau resonance (2018)
  • Author(s): Hsieh, Y. K., and Omura, Y
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 15th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nonlinear Damping of Oblique Whistler Mode Waves via Landau Resonance (2018)
  • Author(s): Hsieh, Y. K., and Omura, Y.
  • Organizer: 13th International School/Symposium for Space Simulations, Los Angeles
• [Presentation] Direct Measurements of Two-Way Wave-Particle Energy Transfer in a Collisionless Space Plasma (2018)
  • Author(s): N. Kitamura, M. Kitahara, M. Shoji, Y. Miyoshi, S. Nakamura, Y. Katoh, H. Hasegawa, Y. Saito, S. Yokota, B. L. Giles, T. E. Moore, D. J. Gershman, W. R. Paterson, C. J. Pollock, A. F. Vinas, C. T. Russell, R. J. Strangeway, S. A. Fuselier, J. L. Burch
  • Organizer: Kyoto Workshop on Nonlinear Wave-Particle Interactions in Plasmas
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] PCWAVE 宇宙プラズマ中の電磁サイクロトロン波 による電子加速散乱機構の実証的研究
  • URL: http://pcwave.rish.kyoto-u.ac.jp/
• [Funded Workshop] Kyoto Workshop on Nonlinear Wave-Particle Interactions in Plasmas, November 19, 2018, Uji, Kyoto, Japan, (2018)
• [Funded Workshop] ISSS-13 (The 13th International School/Symposium for Space Simulations), Septembe 6- 14, 2018, Los Angeles, USA (2018)