2020 Fiscal Year Annual Research Report
超新星衝撃波における粒子加速シミュレーターの開発と宇宙線起源の解明
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20H01944
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
井上 剛志 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (90531294)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 宇宙線加速 / 衝撃波 / 超新星残骸 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙線は最高エネルギーが10の20乗電子ボルト以上にも達する非熱的なエネルギー分布を持った核子からなり、宇宙空間に広く分布している。宇宙線はそれ自身の圧力や、星間ガスの電離過程に影響することで、銀河や星形成雲のダイナミクスから、原始惑星系円盤の化学的性質に至るまで幅広い影響力を持っているが、その加速天体や現場が明確になっていないという非常に大きな問題が存在する。宇宙線の中でも“knee energy”を呼ばれるエネルギーが概ね1PeV以下の粒子は年齢が数百年程度の若い超新星残骸(SNR)で加速されると数十年間信じられてきたが、近年のγ線天文学の進展により、若いSNRであってもγ線放射を通して観測される宇宙線の最高エネルギーは100TeV程度に留まることが明らかになっている。SNRでの宇宙線粒子の加速機構としては、衝撃波近傍で磁気波動によって粒子が散乱され(衝撃波面を往復することで)徐々に加速していく１次フェルミ加速が宇宙線スペクトル指数を説明できることから有力であると考えられている。しかしながら、衝撃波面での１次フェルミ加速で粒子を1PeVまで加速する為には、1mGaussレベルの磁場強度が必要であり、この磁場強度は星間媒質の平均強度である1μGaussを大きく上回っている。加速に必要とされる磁場を増幅する機構は幾つか提唱されているが、中でもBell不安定と呼ばれる宇宙線と磁気流体の間に働く不安定が最も有効であると考えられている(Bell 2004)。本研究では申請者がこれまでに開発した衝撃波や磁場増幅といった磁気流体のダイナミクスと宇宙線の加速および伝搬のダイナミクスを同時にシミュレート可能な流体と宇宙線のハイブリッドコードをもちいて宇宙線加速の諸問題を解明することを目的とする。今年度は宇宙線加速のシミュレーションコードを大規模並列計算機で実行することに成功した。
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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
これまで宇宙線の伝搬計算用に開発されたコードに改良を加えて衝撃波伝搬と宇宙線加速を同時計算することに成功した。さらに、モダンな大規模並列計算機用にコードを調律し、研究計画の実行に必要な超新星爆発時に発生する衝撃波における宇宙線加速の直接シミュレーションを現実的パラメータで実行することが可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は超新星爆発直後のパラメータでBell不安定を考慮した宇宙線加速シミュレーションを多数行い。その結果をまとめ査読付欧文誌に投稿することを目標とする。さらにその後は爆発後数百年が経過した、最もよくx線やガンマ線で観測が行われている超新星残骸にパラメータをセットした状況でシミュレーションを行なっていく。シミュレーションデータを詳細に解析することで、磁場増幅過程の詳細に関しても明らかにする。
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