2018 Fiscal Year Annual Research Report
非一様な媒質中を伝播する無衝突衝撃波中の磁場生成機構の解明
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17J03893
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
冨田 沙羅 青山学院大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | ガンマ線バースト / 衝撃波 / プラズマ / 不安定性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
γ線バースト(GRB)とは、数秒から数100秒の間、γ線が突発的に観測される宇宙最大の爆発現象で、その起源天体は未解明である。GRB本体の放射後、数日から数年間かけて、X線から電波帯域の残光が観測される。残光は、中心天体の爆発から生じた相対論的速度で広がる爆風波(相対論的衝撃波)で加速された電子の放射である。つまり、残光はGRBの解明に必要な情報を与える。しかし、相対論的衝撃波での磁場生成機構や高エネルギー粒子の生成機構、残光放射機構は未だ謎である。
残光の観測を説明するには、衝撃波下流の広い放射領域で、星間空間の平均磁場3μGを衝撃波圧縮した値のさらに約100倍程度まで増幅された磁場が必要だが、理論的に説明出来ていない。これまで、磁場増幅機構の一つにワイベル不安定性が有力視されてきた。ワイベル不安定性とは、プラズマが温度非等方性をもつ際に磁場が生成される過程である。先行研究では、Particle-in-Cell(=PIC)シミュレーションを用いて、ワイべル不安定性による磁場増幅過程が調べられてきた。しかし、一様媒質中を伝播する相対論的衝撃波では、ワイベル不安定性で生成された磁場は、衝撃波面付近ですぐに減衰し、GRB残光の観測を説明できていない。
ただし、現実の星間空間には密度揺らぎがある。採用第2年度では、非一様(一次元的)な電子陽電子プラズマ中を伝播する相対論的衝撃波の2次元 PICシミュレーションの結果の解析をした。その結果、一様分布に比べ、長波長磁場が生成され、下流での減衰が非常に弱まった。長波長磁場の生成には、プラズマ慣性長より3桁も大きな空間スケールの密度揺らぎが寄与していた。また衝撃波と密度波の衝突で、エントロピー波と下流へ伝播する音波が生じた。非熱的粒子粒子の拡散で、数%の温度非等方性が生じ、これは、観測が示唆する磁場を生成するには十分な自由エネルギーである。
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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
採用第2年度では、衝撃波伝播方向にのみ構造を持つ、非一様な電子陽電子プラズマ中を伝播する相対論的衝撃波の2次元PICシミュレーションの結果の解析を行った。その結果、一様な場合と比べて、長波長な磁場が生成され、下流での減衰が非常に弱くなった。長波長磁場の生成は、プラズマ慣性長より3桁も大きな空間スケールの密度揺らぎが寄与していた。また、衝撃波と上流の密度波の衝突で、エントロピー波と下流へ伝播する音波が励起された。これは、流体計算でも示されている結果と一致し、無衝突プラズマ系でも、衝撃波下流の磁場で散乱される熱的粒子が、エントロピー波と音波を安定に存在させることがわかった。さらに高エネルギー粒子の拡散によって数%の温度非等方性が生成された。この温度非等方性が持つ自由エネルギーの値は、GRB残光の観測を説明するのに必要な磁場を作るのに十分であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
現実の上流は、多次元な密度構造で背景磁場があるはずである。この時、乱流の生成、乱流ダイナモによる磁場増幅と磁気リコネクション、乱流加速などが期待できる。乱流ダイナモによる磁場増幅を主張する流体計算は過去にある。しかし、私が昨年度までに示した結果によると、プラズマ温度が等方だと仮定する流体計算は、粒子拡散によるエネルギー散逸から生じる、粒子の加熱や加速、そして運動論的プラズマ不安定性による磁場増幅の物理過程を解けない。そこで、2019年度は、上流が多次元な密度構造で背景磁場が有る場合の衝撃波の2次元,3次元PICシミュレーションを行う。
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