非中性プラズマ中での磁気リコネクション

• 研究課題/領域番号: 18K18748
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 星野 真弘 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90241257)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2019年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2018年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 磁気リコネクション / 相対論プラズマ / 非中性プラズマ / パルサー磁気圏 / プラズマ加熱 / 粒子加速 / プラズマ不安定 / ドリフトキンク不安定

研究成果の概要

近年、相対論的プラズマの磁気リコネクションは、パルサー磁気圏やマグネターなど宇宙物理で注目されている。そして、電子と陽電子の密度が異なる帯電したプラズマで満たされていると考えられている。本研究では、(1) 帯電プラズマの静電場を（人工的）重力で釣り合わせた平衡解、(2) 準中性プラズマのハリス平衡解をローレンツ変換して得られる帯電プラズマの平衡解、(3)準中性条件ではあるが電流を担うドリフト電流が相対論的速度で流れている平衡解の3つについて調べた。特に3番目のケースは、従来の予想とは異なり、リコネクションの成長が、ドリフト電流のローレンツ因子に逆比例して成長が抑制されることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高温希薄プラズマ中では、磁場のエネルギーを熱エネルギーに変換する素過程として、磁力線の繋ぎ変えによって起きる磁気リコネクションと呼ばれるものがあり、実験室プラズマから宇宙プラズマまで数多くの研究が行われてきている。本研究は、極限宇宙で重要となる磁場を作る電流の速度が相対論的な速度を持つ場合の磁気リコネクションについて、理論およびスーパーコンピュータを用いた数値シミュレーションを行い、電流速度が光速に近づくとリコネクションのエネルギー変換効率が著しく低下することを明らかにした。これはパルサー天体を始めとする高エネルギー天体のプラズマ環境を理解するうえで重要な素過程である。

研究成果

• [雑誌論文] Stabilization of Magnetic Reconnection in the Relativistic Current Sheet (2020)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 900 号: 1 ページ: 66-66
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aba59d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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. 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] Transport Ratios of the Kinetic Alfv?n Mode in Space Plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: Narita Yasuhito、Roberts Owen Wyn、V?r?s Zolt?n、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: Frontiers in Physics 巻: 8
  • DOI: 10.3389/fphy.2020.00166
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nonthermal electron and ion acceleration by magnetic reconnection in large laser-driven plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: Totorica S. R.、Hoshino M.、Abel T.、Fiuza F.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 27 号: 11 ページ: 112111-112111
  • DOI: 10.1063/5.0021169
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] PIC simulation methods for cosmic radiation and plasma instabilities (2019)
  • 著者名/発表者名: Martin Pohl, Masahiro Hoshino, Jacek Niemiec
  • 雑誌名: Progress in Particle and Nuclear Physics 巻: - ページ: 103751-103751
  • DOI: 10.1016/j.ppnp.2019.103751
  • 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] 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] 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] Energy Partition between Ion and Electron of Collisionless Magnetic Reconnection (2018)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 868 号: 2 ページ: L18-L18
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aaef3a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic reconnection driven by electron dynamics (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuramitsu Y.、Moritaka T.、Sakawa Y.、Morita T.、Sano T.、Koenig M.、Gregory C. D.、Woolsey N.、Tomita K.、Takabe H.、Liu Y. L.、Chen S. H.、Matsukiyo S.、Hoshino M.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 5109-5109
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07415-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Magnetic reconnection in relativistic astrophysical plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: Max Planck Princeton Center Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ion and electron heating and their energy partition during magnetic reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: Asia-Pacific Physics Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ion and electron energy partition and T-V relation during magnetic reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: Korean Astrophysics Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ion and electron heating and their energy partition during magnetic reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: Workshop on Magnetic Fields in Laboratory High Energy Density Plasmas
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ion and electron heating during magnetic reconnection (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: Max-Planck Princeton Center Workshop
  • 招待講演
• [学会発表] Particle acceleration in plasma universe (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, AAPPS-DPP
  • 国際学会 / 招待講演