レーザー・プラズマ非線形現象: 誘導コンプトン散乱の実験的検証

• 研究課題/領域番号: 17K18270
• 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; プラズマ科学
• 研究機関: 青山学院大学 (2018-2020); 甲南大学 (2017)
• 研究代表者: 田中 周太 青山学院大学, 理工学部, 助教 (50726841)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2017年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 誘導コンプトン散乱 / 実験室宇宙物理学 / パルサー / レーザー実験 / 高速電波バースト / 宇宙物理 / プラズマ / レーザー

研究成果の概要

本研究はパルサー(回転中性子星)発見以来の謎である「電波パルス放射の発生機構」を，全く新しい「実験室宇宙物理学」の方法で探った．パルサー周辺で起こる「誘導コンプトン散乱」というレーザー・プラズマ非線形現象を地上実験で再現，その振る舞いを理解することで，パルサー周辺環境を探ることが本研究の目的である．本研究は宇宙物理とレーザープラズマ物理の学際研究で，まず誘導コンプトン散乱実験が最新のレーザー装置で行えることを我々は示した．2017年に準備実験を経て，2020年には関西光科学研究所のJ-KAREN-Pレーザーで初期実験を遂行できた．現在データを解析中で，次の国際実験計画も進行中である．

研究成果の学術的意義や社会的意義

天体現象を実験室で再現する実験室宇宙物理の手法は大きく広がっている．その中でも本研究課題は現在世界最強レベルの高強度レーザーを用いてこそ行える実験である．分野を超えた共同研究が必要であり，長い準備期間を必要としたがまずは実際に実験を行うことができた．パルサーにおける未解決問題の全く新しい足がかりを手に入れたことになる．レーザーの高強度化による人類未踏の現象の探究は光科学の一つの潮流であり，誘導コンプトン散乱は新しい候補である．次世代高強度レーザー開発に向けての旗印としての意義がある．

研究成果

• [雑誌論文] Toward experimental observations of induced Compton scattering by high-power laser facilities (2020)
  • 著者名/発表者名: S. J. Tanaka, et al, Y. Sakawa
  • 雑誌名: Prog. Theor. Exp. Phys. 巻: 2020 号: 6 ページ: 8-8
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa064
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Probing the star formation origin of gamma-rays from 3FHL J1907.0+0713 (2020)
  • 著者名/発表者名: Ergin T、Saha L、Bhattacharjee P、Sano H、Tanaka S J、Majumdar P、Yamazaki R、Fukui Y
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 501 号: 3 ページ: 4226-4237
  • DOI: 10.1093/mnras/staa3817
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient acceleration of cylindrical jets: effects of radiative cooling and tangled magnetic field (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shuta J、Toma Kenji
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 494 号: 1 ページ: 338-348
  • DOI: 10.1093/mnras/staa728
  • 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] 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] 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] 星に星間ガスは降り積もるか?太陽圏を低質量初代星に応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 雑誌名: 天文月報 巻: 112 ページ: 186-192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Confinement of the Crab Nebula with tangled magnetic field by its supernova remnant (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shuta J、Toma Kenji、Tominaga Nozomu
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 478 号: 4 ページ: 4622-4633
  • DOI: 10.1093/mnras/sty1356
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Blocking Metal Accretion onto Population III Stars by Stellar Wind (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shuta J.、Chiaki Gen、Tominaga Nozomu、Susa Hajime
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 844 号: 2 ページ: 137-137
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa7e2c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] On the Radio-emitting Particles of the Crab Nebula: Stochastic Acceleration Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shuta J.、Asano Katsuaki
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 841 号: 2 ページ: 78-78
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa6f13
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prospects for Cherenkov Telescope Array Observations of the Young Supernova Remnant RX J1713.7-3946 (2017)
  • 著者名/発表者名: Acero, F., Bamba, A. et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 840 号: 2 ページ: 74-74
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa6d67
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Broadband Photon Spectrum and its Radial Profile of Pulsar Wind Nebulae (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishizaki, W., S. J. Tanaka, K. Asano, and T. Terasawa
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 838 号: 2 ページ: 142-142
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aa679b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Steller wind prevents the ISM gas from accreting onto the PopIII stars (2017)
  • 著者名/発表者名: Susa Hajime, Tanaka Shuta J., Chiaki Gen, Tominaga Nozomu
  • 雑誌名: Memorie della Society; Astronomica Italiana 巻: 88 ページ: 862-863
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Blocking Metal Accretion onto Low-Mass Population III Stars by Stellar Wind (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shuta J.、Chiaki Gen、Tominaga Nozomu、Susa Hajime
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 印刷中
• [雑誌論文] Search for the time evolution of the synchrotron X-ray spectrum of the youngest Galactic supernova remnant G1.9+0.3 using Suzaku (2017)
  • 著者名/発表者名: Sezer A、Yamazaki R、Ohira Y、Tanaka S、Kisaka S
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 932 ページ: 012053-012053
  • DOI: 10.1088/1742-6596/932/1/012053
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Luminosity of synchrotron radiation from pulsar magnetospheres (2017)
  • 著者名/発表者名: Kisaka S、Tanaka S J
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 932 ページ: 012015-012015
  • DOI: 10.1088/1742-6596/932/1/012015
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Confinement of pulsar wind nebulae by their supernova remnants and magnetic dissipation (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka S J
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 932 ページ: 012052-012052
  • DOI: 10.1088/1742-6596/932/1/012052
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Luminosity of synchrotron radiation from outer magnetosphere of pulsars (2017)
  • 著者名/発表者名: Kisaka S、Tanaka S J
  • 雑誌名: Proceedings of IAU 巻: 印刷中
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] On the Radio-emitting Particles of the Crab Nebula: Stochastic Acceleration Model (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Shuta J.
  • 雑誌名: Proceedings of IAU 巻: 印刷中
  • オープンアクセス
• [学会発表] 大型レーザー激光XII号を用いた磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験(5)：2019年度の実験結果と理論的解釈 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 日本物理学会2021年春季大会
• [学会発表] Laboratory Experiment of Induced Compton Scattering: Initial Results} (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: YITP International Molecule-type Workshop Fast Radio Bursts: A Mystery Being Solved?
  • 国際学会
• [学会発表] TeV Pulsar Wind Nebulae in the CTA era (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: 43rd COSPAR Scientific Assembly 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectral and Dynamical Constraints on Kinetic Power and Age of SS 433 Jet (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Black Hole Astrophysics with VLBI: Multi-Wavelength and Multi-Messenger Era
  • 国際学会
• [学会発表] パルサー星雲の極初期の高度進化: SN 1986Jの場合 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 第33回理論懇シンポジウム
• [学会発表] パルサー星雲の極初期の高度進化: SN 1986Jの場合 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 中性子星及関連現象～興味ある話題を検討しよう～
• [学会発表] J-KAREN-P レーザーを用いた誘導コンプトン散乱実験の初期報告 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会
• [学会発表] 誘導コンプトン散乱のレーザー実験に向けての研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム
• [学会発表] Stochastic Acceleration Model of Very Young Pulsar Wind Nebula Associated with SN 1986J (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Connecting hihg-energy astroparticle physics for origins of cosmic rays and future perspectives
  • 国際学会
• [学会発表] Induced Compton scattering in current high-power laser facilities (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Workshop on Laboratory Astrophysics: Novel Development in Nonlinear Plasma Physics with Lasers
  • 国際学会
• [学会発表] Induced Compton scattering in pulsar magnetospheres and up-to-date laser facilities (online) (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Physics at the Cosmic Frontiers (online)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Acceleration of Relativistic Jets with Tangled Magnetic Field (2020)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Active Galactic Nucleus Jets in the Event Horizon Telescope Era
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流磁場を考慮した相対論的ジェットの加速 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年春季大会(オンライン)
• [学会発表] Acceleration of Relativistic Outflows with Tangled Magnetic Field (2019)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Yamada Conference LXXI: Gamma-ray Bursts in the Gravitational Wave Era 2019
  • 国際学会
• [学会発表] nduced Compton scattering in pulsar magnetospheres and up-to-date laser facilities (2019)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: 9th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Acceleration of Relativistic Outflows with Tangled Magnetic Field (2019)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: HEPRO VII
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamics of Pulsar Wind Nebula with Magnetic Dissipation and Turbulence (2019)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Supernova Remnants II: An Odyssey in Space After Steller Death
  • 国際学会
• [学会発表] パルサー星雲研究から広帯域 X 線観測に期待すること (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 高感度、広帯域 X 線天文衛星 FORCE で探る高エネルギー宇宙
  • 招待講演
• [学会発表] 非理想磁気流体効果による相対論的流れの加速 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 第 32 回理論懇シンポジウム
• [学会発表] 非理想磁気流体効果による相対論的流れの加速 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会 2019
• [学会発表] 非理想磁気流体効果による相対論的流れの加速 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 高エネルギー突発現象の多波長・多粒子観測と理論
• [学会発表] 誘導コンプトン散乱のレーザー実験に向けての研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2019
• [学会発表] Induced Compton Scattering in pulsar magnetospheres and up-to-date laser facilitie (2019)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Matter in extreme conditions: from material science to planetary physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sigma- and kappa- problems of the Crab Nebula (2019)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: Shock meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 相対論的磁気流体風の乱流磁場による加速について (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、當真賢二
  • 学会等名: 日本天文学会 2019 年春季年会
• [学会発表] 磁場の散逸とジェットの加速について (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: Gamma-Ray Burst Follow-Up from Ishigaki
  • 招待講演
• [学会発表] 乱流磁場と相対論的磁気流体風 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: -中性子星の観測と理論- 研究活性化ワークショップ 2019
• [学会発表] The Crab Nebula with tangled magnetic field: its radio emission and confinement by its su- pernova remnant (2018)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka
  • 学会等名: 8th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Toward Experimental Observations of Induced Compton Scattering (2018)
  • 著者名/発表者名: Shuta J. Tanaka, R. Yamazaki, Y. Kuramitsu, & Y. Sakawa
  • 学会等名: 12th International Conference on High Energy Density Laboratory Astrophysics
  • 国際学会
• [学会発表] 実験室宇宙物理学: 誘導コンプトン散乱のレーザー実験に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 第 30 回理論懇シンポジウム@京都大学基礎物理学研究所
• [学会発表] 乱流磁場と相対論的ジェット (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 高エネルギー天体現象の多様性
• [学会発表] 乱流磁場を考慮したパルサー星雲の磁化率問題について (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 日本物理学会 2018 年秋季大会
• [学会発表] 実験室宇宙物理学: 誘導コンプトン散乱の実験可能性と初期実験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会 2018
• [学会発表] 誘導コンプトン散乱: パルサー磁気圏でのプラズマ非線形現象 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 第 378 回生存圏シンポジウム 「実験室宇宙・天体プラズマ物理学に関する 研究集会」
  • 招待講演
• [学会発表] 誘導コンプトン散乱のレーザー実験に向けての研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2018
• [学会発表] Properties of Relativistic Outflows with Turbulent Magnetic Field and Its Dissipation (2018)
  • 著者名/発表者名: S. J. Tanaka, K. Toma & N. Tominaga
  • 学会等名: Dawn of a new era for black hole jets in active galaxies
  • 国際学会
• [学会発表] 誘導コンプトン散乱のレーザー実験に向けて (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、山崎了、蔵満康浩、坂和洋一
  • 学会等名: 日本物理学会 2018 年春季大会
• [学会発表] 乱流磁場を考慮した相対論的磁気流体風の減速 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、當真賢二、冨永望
  • 学会等名: 日本天文学会 2018 年春季年会
• [学会発表] 多波長観測とレーザー実験で探るパルサー星雲プラズマの性質 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 研究会 X
• [学会発表] 中性星間物質の恒星への降着について (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: ISEE 太陽圏宇宙線研究集会
• [学会発表] 低質量初代星への星間金属降着に対する恒星風の影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、千秋元、冨永望、須佐元
  • 学会等名: 初代星・初代銀河研究会 2017
• [学会発表] On the Radio-emitting Particles of the Crab Nebula: Stochastic Acceleration Model (2017)
  • 著者名/発表者名: S. J. Tanaka & K. Asano
  • 学会等名: Pulsar Astrophysics: The Next Fifty Years
  • 国際学会
• [学会発表] Confinement of Pulsar Wind Nebulae by Their Supernova Remnants and Magnetic Dissipa- tion (2017)
  • 著者名/発表者名: S. J. Tanaka, K. Toma & N. Tominaga
  • 学会等名: Physics of Neutron Stars 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Blocking metal accretion onto population III stars by stellar wind (2017)
  • 著者名/発表者名: S. J. Tanaka, G. Chiaki, N. Tominaga & H. Susa
  • 学会等名: International Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies
  • 国際学会
• [学会発表] Induced Compton Scattering off Anisotropic Radiation (2017)
  • 著者名/発表者名: S. J. Tanaka
  • 学会等名: Sixth International Conference on High Energy Density Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 恒星風による低質量初代星への星間金属降着の阻害 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、千秋元、冨永望、須佐元
  • 学会等名: 第 30 回理論懇シンポジウム
• [学会発表] 磁場散逸を考慮したパルサー星雲の閉じ込めについて (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、當真賢二、冨永望
  • 学会等名: -中性子星の観測と理論- 研究活性化ワークショップ 2017
• [学会発表] 乱流磁場を考慮した高輻射効率の相対論的磁気流体風 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、當真賢二、冨永望
  • 学会等名: ガンマ線バースト研究の新機軸
• [学会発表] 乱流磁場とその散逸を考慮した MHD outflow (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、當真賢二、冨永望
  • 学会等名: 不惑 BZ77 研究会
• [学会発表] 低質量初代星への星間金属降着に対する恒星風の影響について (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、千秋元、冨永望、須佐元
  • 学会等名: 天体形成論
• [学会発表] 初代星への星間物質中の金属降着に対する恒星風の影響について (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中周太、千秋元、冨永望、須佐元
  • 学会等名: 日本天文学会 2017 年秋季年会
• [学会発表] 誘導コンプトン散乱のレーザー実験に向けての研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田中周太
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム 2017
• [備考] 田中周太のホームページ
  • URL: http://www.phys.aoyama.ac.jp/~sjtanaka/index.html