直接観測に基づく衝撃波電子加速の実証的理論モデルの確立

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02966
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 天野 孝伸 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00514853)
• 研究分担者: 松清 修一 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (00380709)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: プラズマ / 粒子加速 / 宇宙線 / 衝撃波

研究実績の概要

地球バウショックで電子加速が顕著に見られたイベントについて詳細な観測データ解析を行い，理論モデルとの定量的な比較を行った．その結果，ホイッスラー波は電子の散乱を説明するのに十分な強度を持つこと，被加速電子のベキ指数は理論予測と整合的であること，電子フラックスの指数関数的増大から見積もられた電子の散乱強度と電子エネルギースペクトルのカットオフの関係が理論の予測とよく一致すること，が確かめられた．このことから，本研究で提唱している新たな理論モデルによって地球バウショックにおける電子加速過程が矛盾なく説明できると結論付けた．さらに，この理論モデルが予言する加速の最大エネルギーと衝撃波速度の依存性を用いることによって，超新星残骸衝撃波のように光速の~1%に達する速い衝撃波においては，電子を相対論的エネルギーまで加速できることが分かった．相対論的エネルギーに到達した電子はフェルミ加速によってさらなる加速を受ける．これはすなわち，同一のメカニズムで地球バウショックの1-10 keV程度の電子加速と超新星残骸衝撃波における相対論的電子の加速を統一的に説明できることを意味する．

さらに，ここで特に低エネルギー電子の散乱に重要な役割を果たすと考えられる高周波のホイッスラー波について詳細な解析を行った．電子加速が顕著なイベントにおいては磁力線と平行・反平行の両方向に伝播する波動が同程度の確率で観測されるのに対して，加速が見られないイベントではどちらか片方向の伝播しか見られない傾向があった．さらに波動強度についても加速が顕著なイベントの方が強いことが分かった．これは共に理論と整合的な結果である．なお，低周波のホイッスラー波の影響についてもテスト粒子計算によって検証しており，~ keV程度まで加速された電子の散乱に重要な役割を果たすことが確かめられた．

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

観測との定量的な詳細比較によって理論の実証ができたことは大きな成果であり，順調に研究が進められていると考えている．

今後の研究の推進方策

観測による理論の実証は，理論モデルをさらに精密なものにし，より精度の高い比較を行うことの動機づけとなった．なぜなら，超新星残骸衝撃波のように観測によって得られる情報が限られた環境への適用には，理論的なアプローチによってパラメータの制約条件を課すことが重要となるためである．したがって，今後は理論モデルのさらなる精密化や，波動の励起過程・飽和強度などについて，数値シミュレーションと観測データを駆使して研究を進めていく．

研究成果

• [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 ページ: 6～6
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab7cd6
  • 査読あり / 国際共著
• [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 ページ: 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. I. Electron Shock-surfing Acceleration (2019)
  • 著者名/発表者名: Bohdan Artem、Niemiec Jacek、Pohl Martin、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 878 ページ: 5～5
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab1b6d
  • 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: Oka M.、Otsuka F.、Matsukiyo S.、Wilson L. B.、Argall M. R.、Amano T.、Phan T. D.、Hoshino M.、Contel O. Le、Gershman D. J.、Burch J. L.、Torbert R. B.、Dorelli J. C.、Giles B. L.、Ergun R. E.、Russell C. T.、Lindqvist P. A.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 886 ページ: 53～53
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab4a81
  • 査読あり / 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: Bohdan Artem、Niemiec Jacek、Pohl Martin、Matsumoto Yosuke、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 885 ページ: 10～10
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab43cf
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Precursor Wave Amplification by Ion?Electron Coupling through Wakefield in Relativistic Shocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwamoto Masanori、Amano Takanobu、Hoshino Masahiro、Matsumoto Yosuke、Niemiec Jacek、Ligorini Arianna、Kobzar Oleh、Pohl Martin
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 883 ページ: L35～L35
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab4265
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Excitation of Storm Time Pc5 ULF Waves by Ring Current Ions Based on the Drift‐Kinetic Simulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamakawa T.、Seki K.、Amano T.、Takahashi N.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 46 ページ: 1911～1918
  • DOI: 10.1029/2018GL081573
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Efficiency of Coherent Radiation from Relativistic Shocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Amano Takanobu、Iwamoto Masanori、Matsumoto Yosuke、Hoshino Masahiro
  • 雑誌名: Progress in Photon Science 巻: 119 ページ: 371～383
  • DOI: 10.1007/978-3-030-05974-3_19
  • 査読あり
• [学会発表] Non-thermal Particle Acceleration at Collisionless Shocks (2020)
  • 著者名/発表者名: Amano, T.
  • 学会等名: Max Planck Princeton Center Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 内部磁気圏におけるULF波動励起機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 天野孝伸
  • 学会等名: 実験室・宇宙プラズマ研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] MMS observation of stochastic shock drift acceleration of electrons (2019)
  • 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., Russel, C. T., Le Contel, O., Ergun, R. E., Lindqvist, P.-A., Turner, D. L., Fennell, J. F. Blake, J. B.
  • 学会等名: GEM summer workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Observational Evidence for Stochastic Shock Drift Acceleration at Quasi-perpendicular Earth’s Bow Shock (2019)
  • 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., Russel, C. T., Le Contel, O., Ergun, R. E., Lindqvist, P.-A., Turner, D. L., Fennell, J. F. Blake, J. B.
  • 学会等名: EASW9 (9th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasmas)
  • 国際学会
• [学会発表] Electron acceleration associated with waves in collisionless shocks (2019)
  • 著者名/発表者名: Amano, T., Matsumoto, Y., Hoshino, M.
  • 学会等名: 2019 URSI - Japan Radio Science Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] MMS Observation of Stochastic Shock Drift Acceleration of Non-thermal Electron at Quasi-perpendicular Bow Shock (2019)
  • 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., Russel, C. T., Le Contel, O., Ergun, R. E., Lindqvist, P.-A., Turner, D. L., Fennell, J. F. Blake, J. B.
  • 学会等名: AGU fall meeting
  • 国際学会