直接観測に基づく衝撃波電子加速の実証的理論モデルの確立

• 研究課題/領域番号: 17H02966
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 超高層物理学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 天野 孝伸 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00514853)
• 研究分担者: 松清 修一 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (00380709)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2020年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2019年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2018年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2017年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: プラズマ / 粒子加速 / 衝撃波 / プラズマ波動 / 宇宙線 / 数値シミュレーション

研究成果の概要

宇宙空間の無衝突衝撃波における電子加速の効率について，理論，観測データ解析，数値シミュレーションの３つの異なるアプローチを全て組み合わせて調べた．新たに非相対論的電子の加速理論モデルを構築し，地球前面の弓状衝撃波の人工衛星観測データを用いて検証した．また，第一原理数値シミュレーションによって衝撃波の非定常性の効果や，幅広い応用を目指したパラメータ依存性についても調査を行った．これらの結果を総合すると，本研究で提唱した電子加速機構は衝撃波電子加速における最大の困難である電子注入問題の解決策として，現時点で最も有力なモデルと考えられる．

研究成果の学術的意義や社会的意義

高エネルギー粒子の加速は宇宙において普遍的に見られる現象であり，一部の粒子のみが熱的エネルギーよりも遥かに高いエネルギーまで加速されることが知られている．熱平衡状態から大きく逸脱した粒子を生成する機構として，最も有力視されているのが衝撃波における粒子加速機構である．本研究によって衝撃波粒子加速における最大の困難であった電子注入問題の解決に向けて大きな一歩を踏み出すことができた

研究成果

• [雑誌論文] Critical comparison of collisionless fluid models: Nonlinear simulations of parallel firehose instability (2022)
  • 著者名/発表者名: Jikei Taiki、Amano Takanobu
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 29 号: 2 ページ: 022102-022102
  • DOI: 10.1063/5.0077064
  • 査読あり
• [雑誌論文] Particle Acceleration by Pickup Process Upstream of Relativistic Shocks (2022)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto Masanori、Amano Takanobu、Matsumoto Yosuke、Matsukiyo Shuichi、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 924 号: 2 ページ: 108-108
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac38aa
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Theory of Electron Injection at Oblique Shock of Finite Thickness (2022)
  • 著者名/発表者名: Amano Takanobu、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 927 号: 1 ページ: 132-132
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac4f49
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Preferential Energization of Lower‐Charge‐State Heavier Ions in the Near‐Earth Magnetotail (2022)
  • 著者名/発表者名: Keika K.、Kasahara S.、Yokota S.、Hoshino M.、Seki K.、Amano T.、Kistler L. M.、Nos? M.、Miyoshi Y.、Hori T.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 1 ページ: 1-20
  • DOI: 10.1029/2021ja029786
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron Acceleration at Rippled Low-mach-number Shocks in High-beta Collisionless Cosmic Plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobzar Oleh、Niemiec Jacek、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro、Matsukiyo Shuichi、Matsumoto Yosuke、Pohl Martin
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 919 号: 2 ページ: 97-97
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac1107
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mach number dependence of ion-scale kinetic instability at collisionless perpendicular shock: Condition for Weibel-dominated shock (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishigai Takuro、Amano Takanobu
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 28 号: 7 ページ: 072903-072903
  • DOI: 10.1063/5.0051269
  • 査読あり
• [雑誌論文] A non-local fluid closure for modeling cyclotron resonance in collisionless magnetized plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: Jikei Taiki、Amano Takanobu
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 28 号: 4 ページ: 042105-042105
  • DOI: 10.1063/5.0045335
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mildly relativistic magnetized shocks in electron-ion plasmas - II. Particle acceleration and heating (2021)
  • 著者名/発表者名: Ligorini Arianna、Niemiec Jacek、Kobzar Oleh、Iwamoto Masanori、Bohdan Artem、Pohl Martin、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Matsukiyo Shuichi、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 502 号: 4 ページ: 5065-5074
  • DOI: 10.1093/mnras/stab220
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic Field Amplification by the Weibel Instability at Planetary and Astrophysical Shocks with High Mach Number (2021)
  • 著者名/発表者名: Bohdan Artem、Pohl Martin、Niemiec Jacek、Morris Paul J.、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro、Sulaiman Ali
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 9 ページ: 095101-095101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.095101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Energy Transfer Between Hot Protons and Electromagnetic Ion Cyclotron Waves in Compressional Pc5 Ultra‐low Frequency Waves (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitamura N.、Shoji M.、Nakamura S.、Kitahara M.、Amano T.、Omura Y.、Hasegawa H.、Boardsen S. A.、Miyoshi Y.、Katoh Y.、Teramoto M.、Saito Y.、Yokota S.、Hirahara M.、Gershman D. J.、Giles B. L.、Russell C. T.、Strangeway R. J.、Ahmadi N.、Lindqvist P.‐A.、Ergun R. E.、Fuselier S. A.、Burch J. L.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 5 ページ: 1-25
  • DOI: 10.1029/2020ja028912
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mildly relativistic magnetized shocks in electron ion plasmas: I. Electromagnetic shock structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Ligorini Arianna、Niemiec Jacek、Kobzar Oleh、Iwamoto Masanori、Bohdan Artem、Pohl Martin、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Matsukiyo Shuichi、Esaki Yodai、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 501 号: 4 ページ: 4837-4849
  • DOI: 10.1093/mnras/staa3901
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Kinetic Simulations of Nonrelativistic Perpendicular Shocks of Young Supernova Remnants. III. Magnetic Reconnection (2020)
  • 著者名/発表者名: Bohdan Artem、Pohl Martin、Niemiec Jacek、Vafin Sergei、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 893 号: 1 ページ: 6-6
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab7cd6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observational Evidence for Stochastic Shock Drift Acceleration of Electrons at the Earth’s Bow Shock (2020)
  • 著者名/発表者名: Amano T.、Katou T.、Kitamura N.、Oka M.、Matsumoto Y.、Hoshino M.、Saito Y.、Yokota S.、Giles B. L.、Paterson W.?R.、Russell C. T.、Le Contel O.、Ergun R. E.、Lindqvist P.-A.、Turner D. L.、Fennell J. F.、Blake J. B.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 6 ページ: 065101-065101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.065101
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Kinetic Simulations of Nonrelativistic Perpendicular Shocks of Young Supernova Remnants. I. Electron Shock-surfing Acceleration (2019)
  • 著者名/発表者名: Bohdan Artem、Niemiec Jacek、Pohl Martin、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 878 号: 1 ページ: 5-5
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab1b6d
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electron Scattering by Low-Frequency Whistler Waves at Earth's Bow Shock (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Oka, F. Otsuka, S. Matsukiyo, L. B. Wilson III, M. R. Argall, T. Amano, T. D. Phan, M. Hoshino, O. Le Contel, D. J. Gershman, J. L. Burch, R. B. Torbert, J. C. Dorelli, B. L. Giles, R. E. Ergun, C. T. Russell, and P. A. Lindqvist
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 886 号: 1 ページ: 53-53
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab4a81
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Kinetic simulations of nonrelativistic perpendicular shocks of young supernova remnants. II. Influence of shock-surfing acceleration on downstream electron spectra (2019)
  • 著者名/発表者名: Artem Bohdan, Jacek Niemiec, Martin Pohl, Yosuke Matsumoto, Takanobu Amano, and Masahiro Hoshino
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 885 号: 1 ページ: 10-10
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab43cf
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Precursor Wave Amplification by Ion?Electron Coupling through Wakefield in Relativistic Shocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto Masanori、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro、Matsumoto Yosuke、Niemiec Jacek、Ligorini Arianna、Kobzar Oleh、Pohl Martin
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 883 号: 2 ページ: L35-L35
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab4265
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Excitation of storm time Pc5 ULF waves by ring current ions based on the drift‐kinetic simulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamakawa, T., K. Seki, T. Amano, N. Takahashi, and Y. Miyoshi
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 46 号: 4 ページ: 1911-1918
  • DOI: 10.1029/2018gl081573
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Efficiency of Coherent Radiation from Relativistic Shocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Amano Takanobu、Iwamoto Masanori、Matsumoto Yosuke、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: In: Yamanouchi K., Tunik S., Makarov V. (eds) Progress in Photon Science. Springer Series in Chemical Physics 巻: 119 ページ: 371-383
  • DOI: 10.1007/978-3-030-05974-3_19
  • ISBN: 9783030059736, 9783030059743
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of Stochastic Shock Drift Acceleration for Electrons in the Shock Transition Region (2019)
  • 著者名/発表者名: Katou Takuma、Amano Takanobu
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 874 号: 2 ページ: 119-119
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab0d8a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ion energies dominating energy density in the inner magnetosphere: Spatial distributions and composition, observed by Arase/MEP-i (2018)
  • 著者名/発表者名: Keika, K. S. Kasahara, S. Yokota, M. Hoshino, K. Seki, M. Nose, T. Amano, Y. Miyoshi, and I. Shinohara,
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 号: 22 ページ: 12153-12162
  • DOI: 10.1029/2018gl080047
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Formation of butterfly pitch angle distributions of relativistic electrons in the outer radiation belt with a monochromatic Pc5 wave (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamiya, K., K. Seki, S. Saito, T. Amano, and Y. Miyoshi
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 印刷中 号: 6 ページ: 4679-4691
  • DOI: 10.1002/2017ja024764
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A statistical study of slow-mode shocks observed by MMS in the dayside magnetopause (2018)
  • 著者名/発表者名: Walia, N. K., K. Seki, M. Hoshino, T. Amano, N. Kitamura, Y. Saito, S. Yokota, C. J. Pollock, B. L. Giles, T. E. Moore, R. B. Torbert, C. T. Russell, and J. L. Burch
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 号: 10 ページ: 4675-4684
  • DOI: 10.1029/2018gl077580
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Precursor Wave Emission Enhanced by Weibel Instability in Relativistic Shocks (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto Masanori、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro、Matsumoto Yosuke
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 858 号: 2 ページ: 93-93
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aaba7a
  • 査読あり
• [雑誌論文] A generalized quasi-neutral fluid-particle hybrid plasma model and its application to energetic-particle-magnetohydrodynamics hybrid simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano Takanobu
  • 雑誌名: Journal of Computational Physics 巻: 366 ページ: 366-385
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2018.04.020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory, modeling, and integrated studies in the Arase (ERG) project (2018)
  • 著者名/発表者名: Seki Kanako、Miyoshi Yoshizumi、Ebihara Yusuke、Katoh Yuto、Amano Takanobu、Saito Shinji、Shoji Masafumi、Nakamizo Aoi、Keika Kunihiro、Hori Tomoaki、Nakano Shin’ya、Watanabe Shigeto、Kamiya Kei、Takahashi Naoko、Omura Yoshiharu、Nose Masahito、Fok Mei-Ching、Tanaka Takashi、Ieda Akimasa、Yoshikawa Akimasa
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 号: 1 ページ: 17-17
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0785-9
  • NAID: 120006517789
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electron Surfing and Drift Accelerations in a Weibel-Dominated High-Mach-Number Shock (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Kato Tsunehiko N.、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 号: 10 ページ: 105101-105101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.105101
  • NAID: 120007088133
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron Scattering by High-frequency Whistler Waves at Earth’s Bow Shock (2017)
  • 著者名/発表者名: Oka M.、III L. B. Wilson、Phan T. D.、Hull A. J.、Amano T., et al. (全24名)
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 842 号: 2 ページ: L11-L11
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa7759
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Electron injection at shocks: Transition from stochastic shock drift acceleration to diffusive shock acceleration (2022)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., et al.
  • 学会等名: XXVIII Cracow EPIPHANY Conference on Recent Advances in Astroparticle Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ミクロなプラズマ素過程に基づく衝撃波粒子加速機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 天野孝伸, 他
  • 学会等名: 高エネルギー現象で探る宇宙の多様性Ⅰ
  • 招待講演
• [学会発表] Connecting Injection and Subsequent Acceleration of Nonthermal Electrons at Collisionless Oblique Shocks (2021)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., et al.
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research (ITC30)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stochastic Shock Drift Acceleration as the Mechanism for Electron Injection into Diffusive Shock Acceleration at Collisionless Shocks (2021)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., et al.
  • 学会等名: 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Particle Acceleration at Collisionless Shocks (2021)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: 10th East-Asia Workshop on Laboratory, Space, Astrophysical Plasmas (EASW-10)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Non-thermal Particle Acceleration at Collisionless Shocks (2020)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: Max Planck Princeton Center Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 内部磁気圏におけるULF波動励起機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 天野孝伸
  • 学会等名: 実験室・宇宙プラズマ研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] MMS observation of stochastic shock drift acceleration of electrons (2019)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Katou, T., Kitamura, N., Oka, M., Matsumoto, Y., Hoshino, M., Saito, Y., Yokota, S., Giles, B. L., Paterson, W. R., Russel, C. T., Le Contel, O., Ergun, R. E., Lindqvist, P.-A., Turner, D. L., Fennell, J. F. Blake, J. B.
  • 学会等名: GEM summer workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Observational Evidence for Stochastic Shock Drift Acceleration at Quasi-perpendicular Earth’s Bow Shock (2019)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Katou, T., Kitamura, N., Oka, M., Matsumoto, Y., Hoshino, M., Saito, Y., Yokota, S., Giles, B. L., Paterson, W. R., Russel, C. T., Le Contel, O., Ergun, R. E., Lindqvist, P.-A., Turner, D. L., Fennell, J. F. Blake, J. B.
  • 学会等名: EASW9 (9th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasmas)
  • 国際学会
• [学会発表] Electron acceleration associated with waves in collisionless shocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Matsumoto, Y., Hoshino, M.
  • 学会等名: 2019 URSI - Japan Radio Science Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] MMS Observation of Stochastic Shock Drift Acceleration of Non-thermal Electron at Quasi-perpendicular Bow Shock (2019)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Katou, T., Kitamura, N., Oka, M., Matsumoto, Y., Hoshino, M., Saito, Y., Yokota, S., Giles, B. L., Paterson, W. R., Russel, C. T., Le Contel, O., Ergun, R. E., Lindqvist, P.-A., Turner, D. L., Fennell, J. F. Blake, J. B.
  • 学会等名: AGU fall meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Cosmic-ray acceleration via astrophysical coherent radiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Iwamoto, M., Matsumoto, Y., Hoshino, M.
  • 学会等名: ISVHECRI 2018 (20th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stochastic Shock Drift Acceleration for Electrons (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Katou, N., Matsumoto, Y., Hoshino, M.
  • 学会等名: EASW8 (8th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasmas)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonthermal Electron Acceleration at Earth’s Bow Shock: Theory, Simulation and Observation (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Katou, N., Kitamura, N., Matsumoto, Y., Oka, M., Hoshino, M.
  • 学会等名: ISSS-13 (The 13th International School/Symposium for Space Simulations)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Three-dimensional Particle-In-Cell Simulations for High Mach Number Collisionless Shocks (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Katou, N., Kitamura, N., Matsumoto, Y., Oka, M., Hoshino, M.
  • 学会等名: AAPPS-DPP 2018 (2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Prolonged Acceleration of Non-Thermal Electrons In A High Mach Number Shock Transition Region (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Matsumoto, Y., Katou, T., Hoshino, M.
  • 学会等名: COSPAR 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Particle Acceleration in Relativistic Plasmas (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: Dawn of a New Era for Black Hole Jets in Active Galaxies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cosmic-Ray Acceleration via Astrophysical Coherent Radiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: 20th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions (ISVHECRI)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stochastic Shock Drift Acceleration for Electrons (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: 8th East-Asia Workshop on Laboratory, Space, Astrophysical Plasmas
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonthermal Electron Acceleration at Earth’s Bow Shock: Theory, Simulation and Observation (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: The 13th International School/Symposium for Space Simulations (ISSS-13)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Three-dimensional Particle-In-Cell Simulations for High Mach Number Collisionless Shocks (2018)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: The 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coherent and Stochastic Acceleration in Quasi-perpendicular Collisionless Shocks (2017)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: Workshop on Plasma Astrophysics from the Laboratory to the Non-thermal Universe
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonthermal Electrons at Quasi-perpendicular Collisionless Shocks (2017)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: 7th East-Asia Workshop on Laboratory, Space, Astrophysical Plasmas
  • 国際学会 / 招待講演