Study for acceleration mechanism of first cosmic rays and their influences

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01893
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Ohira Yutaka 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40589347)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 宇宙線 / 超新星残骸 / 初期宇宙 / プラズマ / 磁場

Outline of Final Research Achievements

In this study, we investigated when cosmic rays were accelerated after the big bang of the universe and when cosmic rays began to make important contributions to various astronomical phenomena. We showed that the first cosmic rays were accelerated by collisionless shock waves generated by the explosion of the first stars hundreds of millions of years after the birth of the Universe. We then showed that the first cosmic rays generate magnetic fields and heat gas as they propagate through intergalactic space. In addition, we showed that the seed magnetic field created by the first cosmic rays could be the origin of the magnetic fields that exist in the present-day Universe, and that the heating of gas in the early Universe by cosmic rays could be verified by future 21 cm observations.

Free Research Field

宇宙物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

現在の宇宙では、宇宙線によって銀河風が吹いたり、宇宙のガスを加熱したり、分子雲や原始惑星系円盤の電離率が決まったり、雷などの地球大気中の雷雲中の放電現象を開始させたり、様々な空間スケールで宇宙線が重要な役割を果たすと指摘されている。しかし、宇宙が誕生していつから宇宙線が加速され、いつから現在のように宇宙線が様々な天体現象に重要な役割を果たすようになったのか？全く調べられていなかった。本研究は、その問題提議とプラズマ物理学に基づく研究を最初に行った。これは、星や銀河が作られていく熱的宇宙の進化とは対照的な、高エネルギー粒子が重要な役割を果たす、非熱的宇宙の開始と進化を理解するための研究と言える。