実験室宇宙物理学と超低面輝度可視光観測による宇宙線加速研究の新展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H01251
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 青山学院大学
• 研究代表者: 山崎 了 青山学院大学, 理工学部, 教授 (40420509)
• 研究分担者: 森田 太智 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401) ; 竹崎 太智 富山大学, 学術研究部工学系, 助教 (90824326)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 宇宙線 / 超新星残骸 / 無衝突衝撃波 / 実験室宇宙物理学

研究実績の概要

無衝突衝撃波生成実験では、2022年度は7月に1週間、大阪大学レーザー科学研究所に滞在し、合計24ショット行った。希薄(1 Torr)窒素ガス中でイオンを十分に磁化できる強度（3.9 T）の外部磁場を印加し、磁化した窒素プラズマを生成し、アルミ・ターゲット由来の高速プラズマとの相互作用の様子を計測した。外部磁場発生コイルに流す電流の向きを変えて磁場の極性を変化させ（アルミ・プラズマ流れるx方向、鉛直z方向に対し、外部磁場を+y方向３ショット、-y方向11ショット）、外部磁場印加なしの場合(8ショット)の結果も合わせ、実験結果を比較した。計測としては、協同トムソン散乱計測、プラズマ自発光計測、磁気プローブを用いた磁場計測などを行い、得られたデータの解析を行った。特に、アルミ・プラズマと窒素プラズマの境界面の不安定性による波打ち構造の位置が磁場の極性がとともに反転することがわかり、さらに、磁場計測では衝撃波の伝播に伴う窒素プラズマ中の波動を捉えた。

可視光望遠鏡による超新星残骸観測については、これまでの準備研究で用いてきたCCDカメラが主に湿気が原因で故障した。これらは既に製造が中止されており、修理代も高額になるため、比較的安価に入手できる現行品のCMOSカメラに交換した。CMOSカメラの性能評価を行い、我々の科学目標達成のために必要な視野、空間分解能、感度を達成できることを確認した。また、自動観測・追尾システムの調整を行い、さらに、大量に取得した画像データをフラット・ダーク処理をして重ね合わせるストレージシステムの整理とソフトウェアの開発に着手した。

また、本研究に広く関連する衝撃波の存在する現象の理論・観測研究も行い、超新星残骸のガンマ線放射、レーザーを用いた磁気リコネクション実験、ガンマ線バーストの超高エネルギーガンマ線放射に対する知見を得た。

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

大阪大学レーザー科学研究所にて無衝突衝撃波生成実験を行い、磁場測定やトムソン散乱計測などの良質のデータを得ることができた。レーザー実験による磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成過程の理解や、衝撃波散逸などの物理過程を理解するために、現段階でまずは十分と思える豊富なデータを取得することができた。

可視光望遠鏡はCCDカメラが損傷したため、急遽CMOSカメラを導入したが、その準備も順調に進めることができ、超新星残骸Tychoのテスト観測を行うことができた。故障の原因となった湿度についても、対策を講じることができた。

今後の研究の推進方策

2022年度の無衝突衝撃波生成実験で取得したデータの詳細な解析を進める。協同トムソン散乱計測のイオン項のダブルピークの非対称性の起源、境界面の波打ち構造の起源、磁場計測で捉えた波動の起源について、１次元電磁粒子シミュレーションや多次元磁気流体シミュレーションの結果と比較しながら考察する。追加データが必要ならば2024年度の実験提案を行う。

イオンのダイナミクスや高周波の磁気波動をより詳細に分析するために、磁気プローブでの周波数・波数分解した電磁波動の検出のための計測器開発を進める。

可視光望遠鏡による超新星残骸観測では、CMOSカメラ２台を用いた同時観測の体制を構築する。広がった天体の試験観測を行い望遠鏡の感度を確認し、8月上旬から11月上旬の超新星残骸Tychoの観測を行う。観測で取得したデータの画像解析のソフトウェア開発を進めることが肝要であると考えている。望遠鏡周りの湿気対策も行ったが、長期的に見て対策が効果的であるか確認中である。

研究成果

• [雑誌論文] The Radio to GeV Afterglow of GRB 221009A (2023)
  • 著者名/発表者名: Laskar T.、Alexander K. D.、Margutti R.、Eftekhari T.、Chornock R.、Berger E.、Cendes Y.、Duerr A.、Perley D. A.、Ravasio M. E.、Yamazaki R.、et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 946 ページ: L23
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acbfad
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Synchrotron self-compton emission in the two-component jet model for gamma-ray bursts (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuri、Obayashi Kaori、Theodre Zhang B.、Tanaka Shuta J.、Murase Kohta、Ohira Yutaka、Yamazaki Ryo
  • 雑誌名: Journal of High Energy Astrophysics 巻: 37 ページ: 51～61
  • DOI: 10.1016/j.jheap.2022.12.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Two-component jet model for multiwavelength afterglow emission of the extremely energetic burst GRB 221009A (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Yuri、Murase Kohta、Ohira Yutaka、Yamazaki Ryo
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 巻: 522 ページ: L56～L60
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slad038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observations of pure electron outflow in magnetic reconnection (2022)
  • 著者名/発表者名: Sakai K.、Moritaka T.、Morita T.、Tomita K.、Minami T.、Nishimoto T.、Egashira S.、Ota M.、Sakawa Y.、Ozaki N.、Kodama R.、Kojima T.、Takezaki T.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Koenig M.、Albertazzi B.、Mabey P.、Woolsey N.、Matsukiyo S.、Takabe H.、Hoshino M.、Kuramitsu Y.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: 10921
  • DOI: 10.1038/s41598-022-14582-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Gamma-Ray Diagnostics of r-process Nucleosynthesis in the Remnants of Galactic Binary Neutron-star Mergers (2022)
  • 著者名/発表者名: Terada Yukikatsu、Miwa Yuya、Ohsumi Hayato、Fujimoto Shin-ichiro、Katsuda Satoru、Bamba Aya、Yamazaki Ryo
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 933 ページ: 111
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac721f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Gamma-Ray Emission from the Supernova Remnant RX J1713.7-3946 Interacting with Two-phase Medium (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujita Yutaka、Yamazaki Ryo、Ohira Yutaka
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 933 ページ: 126
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac731e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-power laser experiment on developing supercritical shock propagating in homogeneously magnetized plasma of ambient gas origin (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsukiyo S.、Yamazaki R.、Morita T.、Tomita K.、Kuramitsu Y.、Sano T.、Tanaka S. J.、Takezaki T.、Isayama S.、et al.
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 106 ページ: 025205
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.106.025205
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray line diagnostics of ion temperature at cosmic ray accelerating collisionless shocks (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimoda Jiro、Ohira Yutaka、Bamba Aya、Terada Yukikatsu、Yamazaki Ryo、Inoue Tsuyoshi、Tanaka Shuta J
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 74 ページ: 1022～1040
  • DOI: 10.1093/pasj/psac053
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of current-sheet and bipolar ion flows in a self-generated antiparallel magnetic field of laser-produced plasmas for magnetic reconnection research (2022)
  • 著者名/発表者名: Morita T.、Kojima T.、Matsuo S.、Matsukiyo S.、Isayama S.、Yamazaki R.、Tanaka S. J.、Aihara K.、Sato Y.、Shiota J.、Pan Y.、Tomita K.、Takezaki T.、Kuramitsu Y.、Sakai K.、Egashira S.、Ishihara H.、Kuramoto O.、Matsumoto Y.、Maeda K.、Sakawa Y.
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 106 ページ: 055207
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.106.055207
  • 査読あり
• [学会発表] 激光XII号による磁化プラズマ中を伝播する無衝突衝撃波の生成実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山崎了
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] レーザー生成プラズマ中の磁気リコネクションにおける磁気拡散領域の時間・空間分解計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森田太智, 松清修一, 諌山翔伍, 前之園凱夫, 村本裕耶, Yiming Pan, 富田健太郎, 竹崎太智, 蔵満康浩, 境健太郎, 江頭俊輔, 東力也, 高橋健太, 有川安信, 前田亘佑, 坂和洋一, 小口拓哉, 山崎了, 田中周太, 佐藤雄飛, 塩田珠里
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [学会発表] レーザープラズマ中の磁気リコネクションにおける磁気拡散領域の詳細計測と磁場構造変化の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 森田太智, 前之園凱夫, 村本裕耶, 松清修一, 諌山翔伍, 東力也, 高橋健太, 有川安信, 坂和洋一, 江頭俊輔, 前田亘佑, 竹崎太智, 小口拓哉, 富田健太郎, Yiming Pan, 山崎了, 田中周太, 佐藤雄飛, 塩田珠里, 蔵満康浩, 境健太郎
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
• [学会発表] Development of Pulsed Magnet for Collisionless Shock Experiment Using High-power Laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Taichi Takezaki, Takuya Oguchi, Hiroaki Ito, Ryo Yamazaki, Shuta J. Tanaka, Taichi Morita, Shuichi Matsukiyo, Shogo Isayama, and Youichi Sakawa
  • 学会等名: The 9th Euro-Asian Pulsed Power Conference with the 24th International Conference on High-Power Particle Beams
• [備考] プレスリリース：「大型レーザー装置で実験室に宇宙プラズマ衝撃波を生成」
  • URL: https://www.aoyama.ac.jp/post06/2022/news_20220830_02
• [備考] プレスリリース：「ミニチュア太陽フレアを大型レーザーで実験室に生成」
  • URL: https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/842/