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2022 年度 実績報告書

グローバル太陽圏における宇宙線加速・輸送の粒子シミュレーション

研究課題

研究課題/領域番号 22H01287
配分区分補助金
研究機関九州大学

研究代表者

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) 2022-04-01 – 2026-03-31
キーワード宇宙線加速・輸送 / 太陽圏 / 粒子シミュレーション / 磁気流体シミュレーション
研究実績の概要

NASAのOMNIデータを用いて日ごとの太陽風変動の情報を入力として取り入れた3次元MHD計算を行い、太陽圏の大域的構造を再現した。Voyager 1号、2号の軌道に沿った太陽圏界面の位置が120天文単位付近にあることを確認した。
太陽風中の乱流の効果で、終端衝撃波の局所的な衝撃波角が50度程度になる場合があることに着目し、この場合の終端衝撃波の2次元フル粒子計算を行った。このときピックアップイオンの存在を陽に考慮して、背景電子、陽子、およびピックアップイオン(相対密度25%の陽子)から成るプラズマを想定した。アルフベンマッハ数は5.1、上流電子ベータ値は0.25、上流電子のプラズマ周波数とサイクロトロン周波数の比は4、イオン・電子間質量比を100とした。斜め衝撃波特有の現象であるイオンの反射が見られたが、反射されるのはピックアップイオンのみで、背景イオンは反射されないことがわかった。一部のピックアップイオンはイオンジャイロ周波数の逆数の100倍程度の時間をかけて非熱的エネルギーにまで加速された。加速機構として衝撃波ドリフト加速が確認されたが、詳しい粒子軌道解析によって、衝撃波での反射直後には異なる加速機構がはたらくことがわかった。反射イオンが励起する上流波動がピックアップイオンの初期加速に影響している可能性について、詳細を解析中である。
定常太陽風条件下での太陽圏の3次元MHD計算結果を用いて、銀河宇宙線の太陽圏内への進入過程をテスト粒子計算した。従来よりも桁違いに多くの粒子軌道を追うことで統計精度を上げることに成功しており、現在データを精査中である。

現在までの達成度 (区分)
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

年度当初に提出した研究実施計画に沿って進めることができた。具体的内容は「研究実績の概要」で述べたとおりである。

今後の研究の推進方策

今後はフル粒子計算とテスト粒子計算に注力する。
フル粒子計算では、被加速イオンの軌道解析を進めて加速機構の解明を目指す。とくに初期加速の機構を精査する。これまでに行った計算で、上流で反射イオンが励起する波動が衝撃波下流の電磁場構造に強く影響を与えることがわかっている。一般に上流波動の特徴は衝撃波のパラメータに依存するため、電磁場構造のパラメータ依存性についても調査していく(次年度以降)。
テスト粒子計算では、粒子統計の精度を上げたことで、太陽圏深部に侵入する銀河宇宙線をいくつかのグループに分けることができている。主成分分析を行ってこれらの特徴を精査する。また次年度以降に、波動による粒子散乱の効果を取り入れた計算を行い、観測される宇宙線の統計的特徴(含、到来方向異方性)の起源を明らかにする。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件) 備考 (2件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] University of Alabama in Huntsville(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Alabama in Huntsville
  • [雑誌論文] Acceleration of Relativistic Particles in Counterpropagating Circularly Polarized Alfven Waves2023

    • 著者名/発表者名
      Isayama, S. ; Takahashi, K. ; Matsukiyo, S. ; Sano, T.
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 946 ページ: 68(1-8)

    • DOI

      10.3847/1538-4357/acbb6d

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonthermal electron acceleration at collisionless quasi-perpendicular shocks2022

    • 著者名/発表者名
      Takanobu Amano, Yosuke Matsumoto, Artem Bohdan, Oleh Kobzar, Shuichi Matsukiyo, Mitsuo Oka, Jacek Niemiec, Martin Pohl, Masahiro Hoshino
    • 雑誌名

      Reviews of Modern Plasma Physics

      巻: 6 ページ: 29

    • DOI

      10.1007/s41614-022-00093-1

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 公開 Numerical study of statistical behaviors of galactic cosmic rays invading the heliosphere2022

    • 著者名/発表者名
      Yoshida K, Matsukiyo S, Washimi H, Hada T
    • 雑誌名

      Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement

      巻: 15 ページ: 3-A20(1-6)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-power laser experiment on developing supercritical shock propagating in homogeneously magnetized plasma of ambient gas origin2022

    • 著者名/発表者名
      S. Matsukiyo, R. Yamazaki, T. Morita, et al.
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 106 ページ: 025205(1-7)

    • DOI

      10.1103/physreve.106.025205

    • 査読あり
  • [学会発表] Relativistic particle acceleration in counter-propagating Alfven/whistler waves2023

    • 著者名/発表者名
      Shuichi Matsukiyo, K. Takahashi, S. Isayama
    • 学会等名
      Joint workshop of Physics and application of whistler waves and Future perspective of study on nonlinear wave-particle interaction
  • [学会発表] Properties of cosmic ray test particles in global MHD simulation of the heliosphere2022

    • 著者名/発表者名
      S. Matsukiyo, K. Yoshida, H. Washimi, T. Hada
    • 学会等名
      EGU General Assembly 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 定常太陽圏における銀河宇宙線の統計的なふるまいについて2022

    • 著者名/発表者名
      吉田 光太郎, 松清 修一, 鷲見 治一, 羽田 亨
    • 学会等名
      JpGU meeting 2022
  • [学会発表] 太陽圏終端衝撃波における宇宙線異常成分の生成に関する数値実験2022

    • 著者名/発表者名
      竹下 裕文, 松清 修一, 吉田 光太郎, 鷲見 治一, 羽田 亨
    • 学会等名
      JpGU meeting 2022
  • [学会発表] Shock Drift Acceleration and Betatron Acceleration of Electrons at Nonstationary Quasi-Perpendicular Shocks2022

    • 著者名/発表者名
      大塚 史子, 松清 修一, 岡 光夫
    • 学会等名
      JpGU meeting 2022
  • [学会発表] Properties of cosmic ray test particles invading the virtual heliosphere in global MHD simulation2022

    • 著者名/発表者名
      S. Matsukiyo, K. Yoshida, H. Washimi, T. Hada
    • 学会等名
      20th Annual International Astrophysics Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Relativistic resonant particle acceleration by counter propagating Alfven waves2022

    • 著者名/発表者名
      諌山 翔伍, 松清 修一, 高橋 健太, 佐野 孝好
    • 学会等名
      第152回 SGEPSS講演会
  • [学会発表] Electron betatron and shock drift acceleration at reforming quasi-perpendicular shocks2022

    • 著者名/発表者名
      大塚 史子, 松清 修一
    • 学会等名
      第152回 SGEPSS講演会
  • [学会発表] ピックアップイオンを含む斜め衝撃波の運動論的2次元構造2022

    • 著者名/発表者名
      松清 修一, 松本 洋介
    • 学会等名
      第152回 SGEPSS講演会
  • [学会発表] 2次元アルフベン波乱流中での相対論的粒子加速2022

    • 著者名/発表者名
      高橋 健太, 諌山 翔伍, 松清 修一, 佐野 孝好
    • 学会等名
      第152回 SGEPSS講演会
  • [学会発表] 物理法則に基づいた深層学習によるプラズマパラメータの推定2022

    • 著者名/発表者名
      宮村 勇生, 松清 修一, 諌山 翔伍
    • 学会等名
      第152回 SGEPSS講演会
  • [学会発表] Gekko XII High Power Laser Experiment and Numerical Simulation on Developing Supercritical Magnetized Shock2022

    • 著者名/発表者名
      S. Matsukiyo, R. Yamazaki, T. Morita, T. Takezaki, Y. Kuramitsu, T. Sano, K. Tomita, S-J. Tanaka, S. Isayama, M. Iwamoto, M. Ota, S. Egashira, K. Sakai, T. Minami, M. Edamoto, S. Tomita, N. Ozaki, Y. Sakawa
    • 学会等名
      20th International Congress on Plasma Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 九州大学-研究者情報[松清修一(教授)総合理工学研究院 環境理工学部門]

    • URL

      https://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K002597/research.html

  • [備考] 研究業績|宇宙流体環境学研究室-九州大学大学院総合理工学府地球環境理工学メジャー

    • URL

      http://www.esst.kyushu-u.ac.jp/~space/publication

  • [学会・シンポジウム開催] Workshop on Heliospheric Physics2023

URL: 

公開日: 2023-12-25  

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