非中性プラズマ中での磁気リコネクション

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K18748
• 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
• キーワード: 磁気リコネクション / 非中性プラズマ / プラズマ加熱 / 粒子加速 / プラズマ不安定 / パルサー磁気圏 / ドリフトキンク不安定

研究実績の概要

パルサー磁気圏など重力回転系でのプラズマシートは、非中性プラズマによる静電場の効果が無視できないことが多い。本研究では非中性プラズマの磁気リコネクションについて調べているが、今年度は反平行磁場のプラズマシートの平衡解について再考を行った。これまではプラスもしくはマイナスの電荷過剰からくるプラズマシートについて、その静電場とつりあう力として密度分布と同様のtanh型の重力を考えていた。しかし標準的な電荷中性の仮定のもとで得られるハリス平衡解を、電流方向にローレンツ変換することで得られる非中性プラズマの平衡解も興味深いことがわかり、より一般的に拡張された平衡解を考察した。

基本的にリコネクションは電流が流れている方向に垂直な2次元面内で起きる不安定であるが、電流方向も含めた3次元空間でのリコネクションを考えると、電流方向のローレンツ変換によってその空間サイズは収縮する。そのためこのローレンツ収縮の空間ひずみも考慮して、リコネクションの時間発展に与える影響も調べることとした。

これまでと同様に空間2次元の粒子シミュレーションで、ローレンツ変換したハリス解を初期条件において、ローレンツ因子の関数としてリコネクション率を測定した。その結果、基本的には通常の相対論的効果からくる時間の遅れによって、リコネクション率はローレンツ因子に反比例して遅くなるが、それ以外にも電流層に流れている電流のドリフト速度のローレンツ因子の修正も大切であることがわかってきた。

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

非中性プラズマシートでの平衡解について、当初の予想とは異なり若干の計画変更をおこなっているが、非中性プラズマと特殊相対論との競合する興味深いプラズマ領域の研究へと発展してきている。

今後の研究の推進方策

1年間の研究延長を行うことで、重力をいれて圧力平衡を満たす場合から重力がない場合まで、粒子シミュレーションを用いて、統一的に非中性プラズマシートでのリコネクションの成長率を調べる。

次年度使用額が生じた理由

非中性プラズマ中での磁気リコネクションでは、非中性プラズマの作る静電場に対して平衡解をどのように設定するかが重要である。これまでは静電場と釣り合わせるために、実効的な重力を入れた平衡解を用いて粒子シミュレーションを行い、線形及び非線形時間発展を調べてきた。しかし、最近平衡解を設定する際に重力を入れないブラソフ平衡解があることに気づき、その計算を進めるために1年間の延長が必要である。

前年度の繰越金は、方針が固まりシミュレーションを再開できる状況であり、今年度はその計算機使用料などに使用する予定である。

研究成果

• [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: -
  • DOI: 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 ページ: -
  • DOI: https://doi.org/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 ページ: -
  • DOI: doi:10.1063/1.5100197
  • 査読あり
• [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 ページ: -
  • DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab43cf
  • 査読あり / 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