2016 Fiscal Year Annual Research Report
Relativistic Two-fluid Plasma Simulation Model and Application to Pulsar Winds
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25800101
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
天野 孝伸 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00514853)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマ / 相対論 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
相対論的プラズマダイナミクスを記述する数値シミュレーションモデルとして，現在は相対論的磁気流体方程式(RMHD方程式)が標準的に用いられている．本研究ではその拡張として電子・イオンを別個の流体として扱う相対論的2流体モデルの開発を行った．具体的には，数値シミュレーションコードを開発・テスト問題へ適用，またRMHD方程式の結果との比較を通して，RMHD方程式の代替モデルとしての可能性を詳細に検討した．その結果，本モデルはRMHDには無い長所を備えていることが分かり，今後の更なる発展が期待される．
数値シミュレーションコードとしては，方程式系の数学的拘束条件(div(B)およびdiv(E))を満たしつつ，数値的にも安定にシミュレーションを行うことが出来るコードを開発することに成功した．MHD方程式系に対して提案されていたHLL-UCTと呼ばれる手法を応用し，格子配置を工夫することで相対論的2流体モデルにも適用し，結果として非常に安定なシミュレーションコードの構築に成功した．本手法は有限差分法を用いたものであるが，米国ノートルダム大学との共同研究を通して有限体積法を用いた数値スキームの更なる高精度化にも取り組んだ．同様に数学的拘束条件を満たしつつ高次精度(3次および4次精度)で補間関数を構築する方法を開発し，テスト計算結果が有限差分コードによる計算結果と良く一致することを確かめた．
物理的には，相対論的2流体モデルによる計算結果は長波長近似においてはRMHD方程式の結果と非常に良く一致することを確かめることが出来た．特に有限の電気抵抗を考慮した抵抗性RMHDの数値的困難を解決出来ることは大きな利点である．一方で，相対論的2流体モデルではRMHD方程式に無い高周波の固有モードが存在するため，時間ステップに厳しい制限がつく．この問題に対しても陰的解法の導入により対処している．
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