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衝撃波による粒子加速の問題は、高エネルギー天体プラズマ物理学の中心課題の一つであり、活動銀河核や超新星などでの高エネルギー粒子の起源を理解していく上でも重要である。本研究では運動学的粒子法による数値シュミレーションを用い、プラズマ集団現象に基づく加速粒子と波との相互作用の観点から非熱的高エネルギー粒子形成過程の研究を行った。特に、相対論的な流速を持つ垂直衝撃波の構造を調べ、プラズマ粒子間のエネルギー輸送の考察い、以下の結果を得た。
このテーマに関連した一連の研究も含めて箇条書きすると、
(1)電子・陽電子プラズマの場合、非熱的高エネルギー粒子は形成されない。
(2)電子・陽電子プラズマに少数の重イオンが混在していると、効率よく高エネルギー陽電子が形成される。そして、陽電子のエネルギースペクトルはべき則で記述できるものが得られた。これは衝撃波上流で重イオンが担っていた運動エネルギーが、衝撃波下流で大振幅の左偏波の波を励起し、この波と陽電子のサイクロトロン共鳴が起きるためである。
(3)重イオン・電子の2成分プラズマ中でも、重イオンから電子へのエネルギー変換があることが解った。しかし、エネルギー変換の過程は(2)と異なり、衝撃波上流に向かって伝搬するプリカーサ波が衝撃波の構造に重要な役割を果たしている。相対論的領域ではプリカーサ波が負の電荷を運び、プリカーサ波後面に出来る静電場による電子の加速が重要である。
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