磁気リコネクションでのイオンと電子のエネルギー分配の物理

• 研究課題/領域番号: 19H01949
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 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)
• 研究分担者: 桂華 邦裕 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10719454)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2021年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円); 2020年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: 磁気リコネクション / エネルギー分配 / 無衝突プラズマ / プラズマ粒子シミュレーション / 磁気圏衛星観測 / プラズマ加熱 / 粒子加速

研究開始時の研究の概要

高温希薄な無衝突系のプラズマでは、通常のボルツマン統計で知られているエネルギー等分配の法則は成り立たず、イオンと電子とでは温度が異なる「エネルギー非等分配」の状態が通常である。またその速度分布関数も、熱的マックスウェル分布ではなく熱的エネルギーを凌駕する非熱的成分を有しているのが一般的である。しかしこのエネルギー非等分配は、非線形かつ非平衡の物理に支配されるため、未だに明確な答えを出すことが出来ていない。本研究では、プラズマのエネルギー変換として重要な無衝突磁気リコネクション過程に注目して、粒子シミュレーションと磁気圏衛星データ解析を用いて、イオンと電子のエネルギー分配について考察する。

研究成果の概要

高温希薄なプラズマで満たされている宇宙空間では、粒子間の平均自由行程が非常に長く、加熱が起きた後のイオンと電子の温度は異なる。また速度分布関数も、熱的成分に加えて非熱的な成分を有することが一般的である。しかし、この無衝突プラズマ系のエネルギー分配の物理は未解決となっている。本研究では、磁場エネルギーを効率的に熱エネルギーに変換する磁気リコネクションに絞って、電磁粒子シミュレーションおよび磁気圏衛星データ解析により、選択的プラズマ加熱や加速について調べた。リコネクションの加熱率は、イオンと電子の質量比に依存することや、プラズマの温度が高温になるほど非熱的成分の生成率が良い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

無衝突プラズマ系での選択的加熱や加速の物理は、重要かつ基本的な未解決問題となっている。加熱や加速が、プラズマ集団現象による波動と粒子の相互作用の結果進行しているが、非線形効果が効く複雑な現象がおきており、エネルギー分配の物理は手つかずの状態であった。ここでは磁気リコネクション過程に絞って、それに特徴的な電磁場構造に着目して、加熱率の定式化や、定量的に非熱的成分の生成率を見積もることに成功した。今回の成果は単純化された系での考察に留まっているが、より一般的な場合への拡張を視野に入れた成果となった。

研究成果

• [雑誌論文] Energy Partition of Thermal and Nonthermal Particles in Magnetic Reconnection (2023)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 946 号: 2 ページ: 77-77
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acbfb5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fully Kinetic (Particle-in-Cell) Simulation of Astrophysical Plasmas (2022)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: Space and Astrophysical Plasma Simulation: Methods, Algorithms, and Applications 巻: - ページ: 337-357
  • DOI: 10.1007/978-3-031-11870-8_11
  • ISBN: 9783031118692, 9783031118708
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global Characteristics of Cold Protons Around Midnight in the Magnetotail: Implication for Efficient Heating and Origin (2022)
  • 著者名/発表者名: Keika K.、Asami R.、Hoshino M.、Fuselier S. A.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 7 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1029/2021ja029576
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Efficiency of nonthermal particle acceleration in magnetic reconnection (2022)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 29 号: 4 ページ: 042902-042902
  • DOI: 10.1063/5.0086316
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-power laser experiment forming a supercritical collisionless shock in a magnetized uniform plasma at rest (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki R.、Matsukiyo S.、Morita T.、Tanaka S. J.、Umeda T. et al. (54 authors)
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 105 号: 2 ページ: 025203-025203
  • DOI: 10.1103/physreve.105.025203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] 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] 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] 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] Statistical study on electron and ion temperatures in the near-Earth reconnection and magnetic pile-up regions (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Watanabe, K. Keika, M. Hoshino, N. Kitamura, Y. Saito, B. L. Giles, and W. R. Paterson
  • 雑誌名: Geophys. Res. Letters 巻: 46 号: 24 ページ: 14223-14229
  • DOI: 10.1029/2019gl084837
  • 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] 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
• [学会発表] Nonlinear explosive magnetic reconnection (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: URSI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fast particle acceleration mechanisms in astroplasma and laboratory astrophysics (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: International Conference on High Energy Density Science (HEDS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] PIC simulations of particle acceleration and heating mechanism in accretion flows (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: Black Hole Astrophysics with VLBI: Multi-wavelength and multi-messenger era
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Nonlinear explosive magnetic reconnection (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hoshino
  • 学会等名: URSI GASS
  • 国際学会 / 招待講演
• [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