マッハ数の大きな衝撃波における電子の加熱加速過程

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12640430
• 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, 教授 (90241257)
• 研究分担者: 菅野 延江(島田 延江) 東京大学, 大学院・理学系研究科, 日本学術振興会特別研究員
• キーワード: 衝撃波 / 粒子加速 / 宇宙線 / 数値シミュレーション / 静電ソリトン波動 / 衝撃波波乗り加速(サーフィン加速)

研究概要

無衝突衝撃波において、超音速の衝撃波上流から亜音速の下流に至る衝撃波遷移領域では、プラズマ波動を介して効率よくイオンから電子にエネルギーが輸送されていることが知られている。また同様に波動ー粒子相互作用によって、電子加熱だけでなく非熱的な高エネルギー電子成分も形成されることが期待されている。本研究では、従来の衝撃波フェルミ加速よりも早い時間スケールで高エネルギー電子を形成する過程を、数値シミュレーションを用いて明らかにすることが出来た。これまで衝撃波遷移領域では、乱流的プラズマ波動が重要な役割を果たすと考えられてきたが、最近の磁気圏衛星観測によってソリトン的大振幅の静電的波動も形成されていることが発見された。本研究ではこのソリトン的波動に着目して、どのようにして衝撃波領域に静電的ソリトン波動が形成されるのか、またそのソリトンが電子加速にどのように関連するのかを研究した。本研究期間に得られた成果は、大規模数値シミュレーションに基づく理論計算から、(1)臨界マッハ数を超えると、衝撃波から反射される一部のイオンと衝撃波に向かって流れ込む電子の作る2流体不安定を介して、衝撃波遷移領域に静電的ソリトン波動が形成されること、(2)ソリトン波動に共鳴する電子軌道が存在し、衝撃波波乗り加速(サーフィン加速)を介して選択的に電子が加速され非熱的成分を形成できること、(3)マッハ数が数10を超えると、電子は相対論的エネルギーまで際限なく加速できることなどである。本研究で見出された新しい電子サーフィン加速は、超新星残骸での高エネルギー電子成分や惑星間空間での衝撃波加速での電子加速として非常に有力な加速過程であることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] M. Hoshino: "Suprathermal electron acceleration in magnetic reconnection"J. Geophys. Res.. 106. 25979-25998 (2001)
• [文献書誌] T.Mizuta: "Preferential acceleration of heavy ions in multi-component plasmas"Geophys. Res. Lett.. 28. 3099-3102 (2001)
• [文献書誌] M.Hoshino: "Nonthermal particle acceleration in shock front region : "Shock surfing acceleration""Prog. Theor. Phys. Suppl.. 143. 149-181 (2001)
• [文献書誌] I.Shinohara: "Rapid large-scale magnetic-field dissipation in a collisionless current sheet via coupling between Kelvin-Helmholtz and lower-hybrid-drift instabilities"Phys. Rev. Letts.. 87-9. 5001 (2001)
• [文献書誌] S.Zenitani: "Generation of non-thermal particles in relativistic magnetic reconnection of pair plasmas"Astrophys. J. Letts.. 562. L63-L66 (2001)
• [文献書誌] H.Hesse: "The structure of the dissipation region for component reconnection : particle"Geophys. Res. Lett.. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] M.Hoshino (ed.): "Magnetic Reconnection in Space and Laboratory Plasmas, (Earth, Planets and Space, 53, 409-693)eds. M. Hoshino, R.L.Stenzel and K.Shibata"Terra Scientific Publishing Company, Tokyo. 285 (2001)