| 研究課題/領域番号 |
19H01893
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
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| 研究機関 | 東京大学 |
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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)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)
2022年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2021年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2019年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
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| キーワード | 宇宙線 / 磁場 / プラズマ / 衝撃波 / 初期宇宙 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、宇宙初期の天体現象による宇宙線加速と磁場生成の機構を調べ、宇宙誕生後いつから宇宙線が加速され、いつから他の天体現象に重要な寄与をし始めたのかを解明する。
現在の宇宙には宇宙線と呼ばれる高エネルギーな荷電粒子が存在する。宇宙線が宇宙誕生後いつから作られたのか、いつから重要な役割を果たすようになったのかは謎である。
宇宙初期に宇宙線が効率よく加速されることがわかった場合、これまでの宇宙線を無視した宇宙初期での天体形成と進化に関する研究の再考察が必要となる。本研究を含め、これらの再考察は「宇宙初期でのプラズマ宇宙物理学」という未開拓の領域を切り開くことになる。
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| 研究実績の概要 |
宇宙初期での宇宙線による磁場生成機構とガスの加熱機構、宇宙線が作る2次電子の加速について理論的に調べた。初代星が超新星爆発した後の超新星残骸で、宇宙線が加速される。この初代宇宙線による赤方偏移z=2-20の宇宙における新しいガスの加熱機構や2次電子の加速機構を定量的に評価し論文にした。宇宙線が銀河間空間に広がっていく際、宇宙線電流が生じる。その宇宙線電流を打ち消すために生じる熱的電子の帰還電流は、熱的ガスとの相互作用による抵抗を感じる。宇宙初期に形成された銀河周囲でのこの電気抵抗によるガス加熱を定量的に評価した結果、これまで考えられていた宇宙初期でのガスの加熱機構(X線加熱と宇宙線による電離加熱)に比べて、宇宙線電流が誘導する抵抗性加熱の方が効率良くガスを加熱する時期があること、ガスの加熱によって抵抗が弱くなり、最終的には抵抗性加熱が効かなくなることが明らかになった。また、この抵抗によって生じる抵抗性電場は、宇宙線が作り出す2次電子を加速させる。一方でその反作用として、熱的電子の帰還電流と抵抗性電場が弱くなる。空間的に一様であることを仮定することで、この一連の時間発展を解析的に解くことに成功した。また、空間の一様性の仮定を取り除いた場合についての発展を調べるため、2次電子の生成、電場による加速、原子や分子の励起や電離にともなるエネルギー損失、抵抗性電場の発展を同時に数値的に解く計算コードを完成させた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
目標とする、部分電離プラズマ中を伝搬する無衝突衝撃波をシミュレーションする計算コード開発は、遅れている。一方で、初期宇宙での宇宙線電流が誘導する帰還電流によるプラズマ加熱で、初期宇宙のガスがどのように加熱されていくか定量的に評価し、この加熱が初期宇宙のガス加熱に最も重要になることを示した。また、初期宇宙での宇宙線電流が誘導する抵抗性電場が、2次電子を加速すること、その反作用としてこれまで考えられてきた抵抗性磁場生成機構が抑えられることを発見した。さらに、抵抗性電場による2次電子のエネルギースペクトル進化を数的的に計算するコードを開発した。これらを総合してこのように判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
スーパーコンピューター「富岳」を用いて、初期宇宙での超新星爆発によって作られた完全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 ションを行う。シミュレーションコードは、千葉大学の松本洋介准教授が開発したものを使う。これによって、初代超新星残骸の無衝突衝撃波でどのような磁場が生成されるか?そこで宇宙線が加速されるか?を明らかにする。
初期宇宙空間を伝搬する宇宙線による2次電子の加速は、ガスの加熱や電離、宇宙線のエネルギー損失に影響を与えるが、その定量的評価は未だ謎である。すでに開発した計算コードを用いて、これらを定量的に評価し、抵抗性電場による2次電子の加速の影響を完全に解明する。
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