Study of collisionless shocks, particle acceleration and magnetic field generation by using large-scale plasma particle simulation

• Project/Area Number: 22740164
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Hiroshima University (2011); Osaka University (2010)
• Principal Investigator: TSUNEHIKO Kato 広島大学, 大学院・理学研究科, 特任助教 (90413955)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2011: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2010: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: プラズマ / 衝撃波 / 粒子加速 / 不安定性 / 磁場生成 / 宇宙物理学 / レーザー実験 / 宇宙物理 / 宇宙空間 / プラズマ・核融合 / 理論天文学 / 宇宙線 / 数値シミュレーション

Research Abstract

By using large-scale plasma particle simulations, we study high-Mach number collisionless shocks in weakly magnetized electron-proton plasmas, which are frequently driven in a variety of astrophysical environment, such as supernova remnants. It is shown that the Weibel instability is driven in the shock transition region even in perpendicular shocks, and then, turbulent magnetic fields are generated by this instability in the transition region and the downstream region. It is also found that in quasi-parallel shocks a particle acceleration mechanism similar to the Fermi acceleration works and efficiently generates high-energy particles with a power-law energy spectrum.

Research Products

• [Journal Article] Collisionless shockwaves formedby counter-streaming laser-producedplasmas (2011)
  • Author(s): X Liu, Y T Li, Y Zhang, J Y Zhong, W DZheng, Q L Dong, M Chen, G Zhao, YSakawa, T Morita, Y Kuramitsu, T N Kato, L M Chen, X Lu, J L Ma, W M Wang, Z MSheng, H Takabe, Y-J Rhee, Y K Ding, S EJiang, S Y Liu, J Q Zhu and JZhang
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 13 Issue: 9 Pages: 8-8
  • DOI: 10.1088/1367-2630/13/9/093001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Collisionless shockgeneration in high-speedcounter-streaming plasma flows by ahigh-power laser (2010)
  • Author(s): T. Morita, Y. Sakawa, Y. Kuramitsu, S. Dono, H. Aoki, H. Tanji, T. N. Kato, Y. T. Li, Y. Zhang, X. Liu, J. Y. Zhong, H. Takabe, and J. Zhang
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 17 Issue: 12 Pages: 15-15
  • DOI: 10.1063/1.3524269
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonrelativistic collisionless shocks inweakly magnetized electron-ion plasmas : two-dimensional particle-in-cell simulationof perpendicular shock (2010)
  • Author(s): Tsunehiko N. Kato, Hideaki Takabe
  • Journal Title: The AstrophysicalJournal Volume: 721 Issue: 1 Pages: 828-842
  • DOI: 10.1088/0004-637x/721/1/828
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nonrelativistic collisionless shocks in weakly magnetized electron-ion plasmas : two-dimensional particle-in-cell simulation of perpendicular shock (2010)
  • Author(s): Tsunehiko N.Kato, Hideaki Takabe
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 721 Pages: 828-842
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Collisionless shock generation in high-speed counter-streaming plasma flows by a high-power laser (2010)
  • Author(s): T.Morita, et al.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 17
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 超高強度レーザーによる真空崩壊と電子対プラズマ生成 (2012)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 日本天文学会2012年春期年会
  • Place of Presentation: 龍谷大学深草キャンパス(京都府京都市)
  • Year and Date: 2012-03-20
• [Presentation] 超高強度レーザーによる真空崩壊と電子対プラズマ生成 (2012)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 日本天文学会2012年春期年会
  • Place of Presentation: 京都市(基調講演)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-03-20
• [Presentation] 宇宙の無衝突衝撃波とPICシミュレーション (2012)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: STEシミュレーション研究会
  • Place of Presentation: 広島大学東千田キャンパス(広島県広島市)
  • Year and Date: 2012-03-02
• [Presentation] 宇宙の無衝突衝撃波とPICシミュレーション (2012)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: STEシミュレーション研究会
  • Place of Presentation: 広島市(招待講演)
  • Year and Date: 2012-03-02
• [Presentation] 無衝突衝撃波でのイオン加速 (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス(大阪府豊中市)
  • Year and Date: 2011-12-17
• [Presentation] 背景磁場に対して斜めに伝搬する高マッハ数の無衝突衝撃波 (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 日本天文学会2011年秋期年会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島県鹿児島市)
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] 背景磁場に対して斜めに伝搬する高マッハ数の無衝突衝撃波 (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 日本天文学会2011年秋期年会
  • Place of Presentation: 鹿児島市
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] 宇宙の衝撃波と粒子加速 (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 瀬戸内サマーインスティテュート
  • Place of Presentation: 岡山県青少年教育センター閑谷学校(岡山県備前市)
  • Year and Date: 2011-09-01
• [Presentation] 高マッハ数の無衝突衝撃波のPICシミュレーション:衝撃波遷移層で起きる不安定性について (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 「若手・中堅研究者が見据える次世代の宇宙物理」研究会
  • Place of Presentation: チサンリゾート石垣(沖縄県石垣市)
  • Year and Date: 2011-02-25
• [Presentation] 高マッハ数の無衝突衝撃波のPICシミュレーション:衝撃波遷移層で起きる不安定性について (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 「若手・中堅研究者が見据える次世代の宇宙物理」研究会
  • Place of Presentation: チサンリゾート石垣(沖縄県石垣市)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-02-25
• [Presentation] 高マッハ数の無衝突衝撃波のPICシミュレーション:衝撃波遷移層で起きる不安定性について (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 山形大学理学部物理学科宇宙物理学研究グループ談話会
  • Place of Presentation: 山形大学理学部(山形県山形市)
  • Year and Date: 2011-02-04
• [Presentation] 高マッハ数の無衝突衝撃波のPICシミュレーション:衝撃波遷移層で起きる不安定性について (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 山形大学理学部物理学科宇宙物理学研究グループ談話会
  • Place of Presentation: 山形大学理学部(山形県山形市)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-02-04
• [Presentation] 無衝突衝撃波のシミュレーション (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 次世代スーパーコンピューティング・シンポジウム2010および第1回戦略プログラム5分野合同ワークショップ
  • Place of Presentation: ニチイ学館神戸ポートアイランドセンター(兵庫県神戸市)
  • Year and Date: 2011-01-17
• [Presentation] 斜め衝撃波でのイオン加速 (2011)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 第24回理論懇シンポジウム「理論天文学・宇宙物理学の革新」
  • Place of Presentation: 国立天文台三鷹キャンパス(東京都三鷹市)
• [Presentation] 高マッハ数の無衝突衝撃波での加熱過程について:衝撃波遷移層で起きる不安定性 (2010)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 第23回理論懇シンポジウム「林忠四郎先生と天文学・宇宙物理学」
  • Place of Presentation: 京都大学基礎物理学研究所湯川記念館・パナソニックホール(京都府京都市)
  • Year and Date: 2010-12-20
• [Presentation] 高マッハ数の無衝突衝撃波のPICシミュレーション:衝撃波遷移層で起きる不安定性について (2010)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 高エネルギー宇宙物理学研究会
  • Place of Presentation: 高エネルギー加速器研究機構(茨城県つくば市)
  • Year and Date: 2010-10-14
• [Presentation] 弱い背景磁場中の無衝突衝撃波のダイナミクス (2010)
  • Author(s): 加藤恒彦
  • Organizer: 日本天文学会2010年秋季年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
  • Year and Date: 2010-09-23