2022 Fiscal Year Research-status Report
Global Simulations of the Neutron Star Magnetosphere
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22K03681
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
柴田 晋平 山形大学, 理学部, 客員教授 (90187401)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木坂 将大 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 助教 (10639107)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 中性子星 / 磁気圏 / プラズマ物理 / 粒子加速 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙における極限状態を理論的に研究することで自然法則を理解したいと考えます。本研究では極限状態の一つとして地球上では決してできな い超強磁場中で起こる現象を研究します。そのような強磁場中では、光が電子・陽電子に変換されたり(対生成)、光自身が分裂したりという 現象が起こります。そのような現場である高速に自転する中性子星をスーパーコンピュータを用いてシミュレーションすることによって、起こ っている現象を調べます。結果は、ガンマ線やX線宇宙望遠鏡の観測と比較することで検証します。宇宙の平均的なエネルギーよりも非常に高 いエネルギーを持った宇宙線がそこで形成する過程を理解することができます。
本年度の研究では次の結果を得ました。(1)電子・陽電子対生成がないときは磁気圏内の電流系が形成されず活動性がない(electrosphere)ことがわかりました、(2)対生成のスイッチが入ると電流系が発達しパルサーで観測される様な活動性がみられました、(3)シミュレーションにおいては、対生成の入れ方によって磁気圏の電流ループが閉じる機構が異なることを荒い精度の数値計算でみいだしました；なお、典型的な対生成の入れ方は、(a)表面から(初速を与える場合もある)、(b)Y-pointから赤道磁気中性面、(c)電荷分布の中立面(null-surface)での3パターンを用いました、(4)これまでの中程度の精度数値計算では粒子加速の大部分は、沿磁力線電場ではなく垂直電場(つまりは遠心力加速)でした。
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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
中程度の計算制度の計算を実施した。また、高精度の計算への目処をたてることができた。電子・陽電子対生成の効果の概略を知ることができた。当初予定していたpolar cap での電磁カスケードのシミュレータ開発の重要度は低下した。一方、Outer gap あるいは Y-point 近傍での対生成の重要度が増したので当初の計画変更の必要が浮上した。以上より、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
比較的大規模なPIC simulation で、どの様な機構で磁気圏電流循環が達成されるかを評価する。これによって、磁気圏電流系の閉じる機構を完全理解し、目標としていた、先行研究にみられる混乱を解消することを目標とする。また、遠心力加速の重要性がはっきりしてきたので、遠心力加速の機構を高精度のPIC simulation を使いながら解明する。とくに、これまではリコネクションによる加速という言葉で曖昧にされていた加速機構の説明を完全なものにする。つまり、リコネクション自体はある種モーターのようなもので電磁エネルギーからプラズマのエネルギーに変換する機械のことであり、そのにどの様に動力(エネルギー)を注入し、機械を動かすのか、が真の加速機構の解明に注目する。我々は星の自転(磁気圏の回転)を駆動力とする加速機構(リコネクションの駆動)を解明することを目標に進める。
追加のテーマ：磁気圏で加速されたプラズマはパルサー星雲を形成するのでパルサー星雲を調べることによって加速プラズマの性質(粒子エネルギーやその緯度依存性など)を調べることができる。これによってこのプロジェクトでおこなわれた計算結果の診断を実施できる。よってパルサー星雲の解析も行うこととする。
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