Electron accelerations associated with magnetic turbulence in high-Mach-number collision-less shocks

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26400266
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 松本 洋介 千葉大学, 大学院理学研究科, 特任准教授 (20397475)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 宇宙線加速 / 無衝突衝撃波 / 磁気乱流 / 磁気リコネクション / PICシミュレーション / 大規模数値計算

Outline of Annual Research Achievements

超新星残骸から放射されるさまざまな波長域での電磁場放射は、非常に強い（高いマッハ数の）衝撃波において電子がほぼ光速まで効率的に加速されていることを示唆してきた。衝撃波における荷電粒子の加速メカニズムとして衝撃波統計加速（DSA）が標準理論として挙げられるが、星間空間の冷たい熱的電子がどのようなプロセスを経てDSAへと至るかについては現在においても未解決問題である。DSAにいたる電子の前段階加速として、衝撃波ドリフト加速（SDA)・サーフィン加速（SSA）がこれまで提唱されている。また、近年の研究により、高マッハ数衝撃波では磁気乱流が卓越し、乱流内部に自発的に発動する磁気リコネクションによって電子の加熱・加速が起きることが明らかになった（Matsumoto et al., Science, 2015)）。そこで、SSAとSDAに加えて磁気乱流構造がどのようにして競合するかについて研究を行った。

スーパーコンピュータ「京」の大規模計算資源を使用することにより、世界で初めて高マッハ数衝撃波の大規模3次元構造を第一原理的に明らかにすることに成功した。その結果、衝撃波前方ではBuneman不安定によるコヒーレントな静電場構造、遷移領域においてはイオンワイベル不安定による磁気乱流構造が共存することが明らかになった。電子はまず静電場と相互作用して、SSAによりエネルギーを獲得する。その後、衝撃波近傍では磁気乱流構造に散乱されながらも電場（逆）方向に運動しながらエネルギーを得るSDAを経ることが明らかになった。後者のSDAは強いピッチ角散乱を伴うため、断熱理論で制約されるSDAの加速限界を超えて、非断熱的に継続的に加速することが明らかになった。本成果は現在論文としてまとめられ、Physical Review Letters誌に投稿している段階である。

Research Products

• [Journal Article] A Possible Time-Delayed Brightening of the Sgr A* Accretion Flow after the Pericenter Passage of G2 Cloud (2017)
  • Author(s): Tomohisa Kawashima, Yosuke Matsumoto, and Ryoji Matsumoto
  • Journal Title: Publ. Astron. Soc. Japan Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Model experiment of magnetic field amplification in laser-produced plasmas via the Richtmyer-Meshkov instability (2016)
  • Author(s): Y. Kuramitsu, N. Ohnishi, Y. Sakawa, T. Morita, H. Tanji, T. Ide, K. Nishio, C. D. Gregory, J. N. Waugh, N. Booth, R. Heathcote, C. Murphy, G. Gregori, J. Smallcombe, C. Barton, A. Diziere, M. Koenig, N. Woolsey, Y. Matsumoto, A Mizuta, T. Sugiyama, S. Matsukiyo, T. Moritaka, T. Sano, and H. Takabe
  • Journal Title: Phys. Plasmas Volume: 23 Pages: -
  • DOI: 10.1063/1.4944925
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TIME EVOLUTION OF KELVIN-HELMHOLTZ VORTICES ASSOCIATED WITH COLLISIONLESS SHOCKS IN LASER-PRODUCED PLASMAS (2016)
  • Author(s): Y. Kuramitsu, A. Mizuta, Y. Sakawa, H. Tanji, T. Ide, T. Sano, M. Koenig, A. Ravasio, A. Pelka, H. Takabe, C. D. Gregory, N. Woolsey, T. Moritaka, S. Matsukiyo, Y. Matsumoto, and N. Ohnishi
  • Journal Title: Astrophys. J. Volume: 828 Pages: -
  • DOI: 10.3847/0004-637X/828/2/93
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高マッハ数衝撃波における電子のサーフィン・ドリフト加速 (2017)
  • Author(s): 松本洋介、天野孝伸、加藤恒彦、星野真弘
  • Organizer: 日本天文学会年会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [Presentation] Prolonged electron accelerations at a high Mach-number quasi-perpendicular shock (2016)
  • Author(s): Y. Matsumoto, T. Amano, T. N. Kato, and M. Hoshino
  • Organizer: AGU Fall meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2016-12-13 – 2016-12-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-dimensional structures of high-MA shocks and associated electron accelerations (2016)
  • Author(s): Y. Matsumoto, T. Amano, T. N. Kato, and M. Hoshino
  • Organizer: 6th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasma
  • Place of Presentation: Epochal Tsukuba（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2016-07-12 – 2016-07-12
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マジックCFL法を用いた相対論的衝撃波の長時間計算 (2016)
  • Author(s): 松本洋介、池谷直樹
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合連合大会2016年大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2016-05-24 – 2016-05-24
• [Presentation] Stochastic electron acceleration during turbulent reconnection in strong shock waves (2016)
  • Author(s): Yosuke Matsumoto
  • Organizer: EGU General Assembly 2016
  • Place of Presentation: Vienna, Austria
  • Year and Date: 2016-04-20 – 2016-04-20
  • Int'l Joint Research / Invited