部分電離プラズマ中の宇宙線加速機構の解明と初期宇宙への応用

• 研究課題/領域番号: 16K17702
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 東京大学 (2017-2019); 青山学院大学 (2016)
• 研究代表者: 大平 豊 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40589347)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 宇宙線 / 超新星残骸 / プラズマ / 磁場 / 衝撃波 / 初期宇宙 / 宇宙物理 / 理論天文学 / プラズマ・核融合

研究成果の概要

部分電離プラズマ中を伝搬する無衝突衝撃波のプラズマ粒子シミュレーションを世界で初めて行った。電荷交換反応により生じた下流の高温の水素原子が上流に向かって染み出すこと、それらが電離したのちに上流プラズマと相互作用するこ とで衝撃波構造を変えることを示した。宇宙線加速について電離度の制限が存在することを世界で初めて示した。 また、初期宇宙での宇宙線加速について理論的に調べ、z=20ごろの初代星が超新星残骸を作る際に、宇宙線が1GeVまで加速されることを明らかにした。同じz=20程度の時期に生じる構造形成に伴う衝撃波は、電離度が非常に低い衝撃波となるため宇宙線を加速することができないことも判明した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

エネルギーの高い宇宙線は、宇宙の様々な天体に影響を及ぼす。地球でも、半導体エラーや雲や雷に影響を及ぼす。このように地球上から宇宙に渡って至る所に影響を及ぼす宇宙線は、いまだその加速源がわかっていない。本研究は、これまで完全電離を仮定して議論されていた宇宙線加速過程を見直し、より現実的な部分電離プラズマ中での宇宙線加速過程を調べた。その結果、これまでいつでも宇宙線を加速できると思われていた無衝突衝撃波は、電離度によっては宇宙線加速に適さないことが明らかになった。これは、未解明の宇宙線源の候補を絞る上で非常に役に立つ結果である。

研究成果

• [国際共同研究] Avrasya University/TUBITAK Space Technologies Research(トルコ)
• [国際共同研究] Radboud University(オランダ)
• [国際共同研究] Avrasya University/Yildiz Technical University(トルコ)
• [国際共同研究] Kavli Institute/NASA Goddard Space Flight Center/University of Maryland(米国)
• [国際共同研究] Naval Research Laboratory/Kavli Institute for Astrophysics/NASA Goddard Space Flight Center(米国)
• [国際共同研究] Institute of Nuclear Physics PAN(ポーランド)
• [国際共同研究] Deutsches Elektronen-Synchrotron(ドイツ)
• [雑誌論文] Weibel-mediated Shocks Propagating into Inhomogeneous Electron-Positron Plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomita Sara、Ohira Yutaka、Yamazaki Ryo
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 886 号: 1 ページ: 54-54
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab4a10
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Origin and impacts of the first cosmic rays (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohira Yutaka、Murase Kohta
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 号: 6 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.061301
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous plasma acceleration in colliding high-power laser-produced plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Morita, K. Nagashima, M. Edamoto, K. Tomita, T. Sano, Y. Itadani, R. Kumar, M. Ota, S. Egashira, R. Yamazaki, S. J. Tanaka, S. Tomita, S. Tomiya, H. Toda, I. Miyata, S. Kakuchi, S. Sei, N. Ishizaka, S. Matsukiyo, Y. Kuramitsu, Y. Ohira, M. Hoshino, and Y. Sakawa
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 26 号: 9 ページ: 090702-090702
  • DOI: 10.1063/1.5100197
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Interaction between molecular clouds and MeV?TeV cosmic-ray protons escaped from supernova remnants (2019)
  • 著者名/発表者名: Makino Ken、Fujita Yutaka、Nobukawa Kumiko K、Matsumoto Hironori、Ohira Yutaka
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 71 号: 4 ページ: 78-78
  • DOI: 10.1093/pasj/psz058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suzaku and Fermi view of the supernova remnant 3C 396 (2019)
  • 著者名/発表者名: Sezer A、Ergin T、Cesur N、Tanaka S J、Kisaka S、Ohira Y、Yamazaki R
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 492 号: 1 ページ: 1484-1491
  • DOI: 10.1093/mnras/stz3571
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Full particle-in-cell simulation of the interaction between two plasmas for laboratory experiments on the generation of magnetized collisionless shocks with high-power lasers (2019)
  • 著者名/発表者名: Umeda Takayuki、Yamazaki Ryo、Ohira Yutaka、Ishizaka Natsuki、Kakuchi Shin、Kuramitsu Yasuhiro、Matsukiyo Shuichi、Miyata Itaru、Morita Taichi、Sakawa Youichi、Sano Takayoshi、Sei Shuto、Tanaka Shuta J.、Toda Hirohumi、Tomita Sara
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 26 号: 3 ページ: 032303-032303
  • DOI: 10.1063/1.5079906
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Suzaku X-ray study of the mixed-morphology supernova remnant Kes 69 and searching for its gamma-ray counterpart (2018)
  • 著者名/発表者名: Sezer A、Ergin T、Yamazaki R、Ohira Y、Cesur N
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 481 号: 1 ページ: 1416-1425
  • DOI: 10.1093/mnras/sty2387
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pulsar Wind Nebulae inside Supernova Remnants as Cosmic-Ray PeVatrons (2018)
  • 著者名/発表者名: Ohira Yutaka、Kisaka Shota、Yamazaki Ryo
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 478 号: 1 ページ: 926-931
  • DOI: 10.1093/mnras/sty1159
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Transition from Young to Middle-aged Supernova Remnants: Thermal and Nonthermal Aspects of SNR N132D (2018)
  • 著者名/発表者名: Bamba Aya、Ohira Yutaka、Yamazaki Ryo、Sawada Makoto、Terada Yukikatsu、Koyama Katsuji、Miller Eric D.、Yamaguchi Hiroya、Katsuda Satoru、Nobukawa Masayoshi、Nobukawa Kumiko K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 854 号: 1 ページ: 71-71
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaa5a0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarized Balmer line emission from supernova remnant shock waves efficiently accelerating cosmic rays (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimoda, Jiro; Ohira, Yutaka; Yamazaki, Ryo; Laming, J. Martin; Katsuda, Satoru
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 473 号: 1 ページ: 1394-1406
  • DOI: 10.1093/mnras/stx2339
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inverse Compton emission from a cosmic-ray precursor in RX J1713.7-3946 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohira, R. Yamazaki
  • 雑誌名: Journal of High Energy Astrophysics 巻: 13 ページ: 17-21
  • DOI: 10.1016/j.jheap.2017.03.001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multi-year X-ray variations of Iron-K and Continuum Emissions in the Young Supernoca Remnant Cassioeia A (2017)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Sato, Yoshitomo Maeda, Aya Bamba, Satoru Katsuda, Yutaka Ohira, Ryo Yamazaki, Kuniaki Masai, Hironori Matsumoto, Makoto Sawada, Yukikatsu Terada, John P. Hughes & Manabu Ishida
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 836 号: 2 ページ: 225-235
  • DOI: 10.3847/1538-4357/836/2/225
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Injection to Rapid Diffusive Shock Acceleration at Perpendicular Shocks in Partially Ionized Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Ohira
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 827 号: 1 ページ: 36-36
  • DOI: 10.3847/0004-637x/827/1/36
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Weibel Instability Driven by Spatially Anisotropic Density Structures (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomita Sara, Ohira Yutaka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 825 号: 2 ページ: 103-103
  • DOI: 10.3847/0004-637x/825/2/103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suzaku observations of the hard X-ray spectrum of Vela Jr. (SNR RX J0852.0-4622) (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeda, S., Bamba, A., Terada, Y., Tashiro, M. S., Katsuda, S., Yamazaki, R.,Ohira, Y., Iwakiri, W.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 68 号: SP1
  • DOI: 10.1093/pasj/psw036
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electromagnetic Afterglows Associated with Gamma-Ray Emission Coincident with Binary Black Hole Merger Event GW150914 (2016)
  • 著者名/発表者名: Ryo Yamazaki, Katsuaki Asano, and Yutaka Ohira
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2016 号: 5 ページ: 051E01-051E01
  • DOI: 10.1093/ptep/ptw042
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cosmic-Ray Hardenings in the Light of AMS-02 (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohira, Yutaka; Kawanaka, Norita; Ioka, Kunihito
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 93 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevd.93.083001
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Acceleration and escape of first cosmic rays (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Ohira
  • 学会等名: International Cosmic Ray Conference 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Cosmic-ray propagation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Ohira
  • 学会等名: Dark matter searches in the 2020s - at the crossroads of WIMP
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 初代宇宙線の加速と逃走 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大平 豊
  • 学会等名: 日本天文学会
• [学会発表] 硬X線観測(10-80keV)で探る超新星残骸での宇宙線加速 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: Force研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Collisionless shocks driven by a high-power laser (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Ohira
  • 学会等名: The 4th STEPS Symposium on Photon Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超新星残骸内部のパルサー星雲によるKnee宇宙線の加速 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 日本天文学会2019年秋季年会
• [学会発表] Acceleration of First Cosmic Rays (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Ohira
  • 学会等名: MAX PLANCK PRINCETON CENTER WORKSHOP 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Nonlinear evolution of the Weibel instability induced by asymmetric counter-streaming beams (2019)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 2018年度CfCAユーザーズミーティング
• [学会発表] 宇宙線の標準理論未来に向けての再考 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 第31回 理論懇シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙線と磁場 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 高エネルギー天体現象の多様性
  • 招待講演
• [学会発表] Particle accelerations, plasma instabilities, and collisionless shocks in partially ionized plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Ohira
  • 学会等名: AAPPS-DPP2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Origin of the First Cosmic Rays (2018)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学2018
• [学会発表] 低電離プラズマ中の無衝突衝撃波のハイブリッドシミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 日本物理学会2018年春季大会
• [学会発表] 宇宙線と磁場 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 研究会X
  • 招待講演
• [学会発表] 超新星残骸衝撃波中のピックアップイオン (2018)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: PSTEP・ISEE研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] PeVatron理論レビュー (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平 豊
  • 学会等名: 2016年度CRC将来計画タウンミーティング
  • 発表場所: 東京大学宇宙線研究所
  • 年月日: 2017-03-24
  • 招待講演
• [学会発表] 銀河宇宙線の加速・逃走・伝搬の研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平 豊
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会（2017年）
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] 部分電離プラズマ中の無衝突衝撃波と粒子加速 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平 豊
  • 学会等名: 「自然科学における階層と全体」シンポジウム
  • 発表場所: 名古屋ルーセントタワー16Fビジネスサポートセンター
  • 年月日: 2017-02-14
  • 招待講演
• [学会発表] First cosmic ray (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 第30回 理論懇シンポジウム
• [学会発表] 宇宙線Kneeの起源 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会2017
• [学会発表] Particle acceleration by pulsar wind nebulae inside supernova remnants (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: ICRC2017
  • 国際学会
• [学会発表] 超新星残骸での粒子加速と非熱的放射 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大平豊
  • 学会等名: 磁気リコネクション・粒子加速勉強会
• [学会発表] 部分電離プラズマ中の衝撃波統計加速 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大平 豊
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会2016
  • 発表場所: 青山学院大学
  • 年月日: 2016-11-30
• [学会発表] 部分電離プラズマ中の平行無衝突衝撃波の構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大平 豊
  • 学会等名: 平成27年度CfCAユーザーズミーティング
  • 発表場所: 国立天文台
  • 年月日: 2016-11-29
  • 招待講演