高マッハ数衝撃波の多次元構造中における大振幅電磁場擾乱励起と電子加速機構の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26400266
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 松本 洋介 千葉大学, 大学院理学研究科, 特任准教授 (20397475)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 宇宙線加速 / 無衝突衝撃波 / 磁気乱流 / 磁気リコネクション / PICシミュレーション / 大規模数値計算

研究実績の概要

超新星残骸から放射されるさまざまな波長域での電磁場放射は、非常に強い（高いマッハ数の）衝撃波において電子がほぼ光速まで効率的に加速されていることを示唆してきた。衝撃波における荷電粒子の加速メカニズムとして衝撃波統計加速（DSA）が標準理論として挙げられるが、星間空間の冷たい熱的電子がどのようなプロセスを経てDSAへと至るかについては現在においても未解決問題である。DSAにいたる電子の前段階加速として、衝撃波ドリフト加速（SDA)・サーフィン加速（SSA）がこれまで提唱されている。また、近年の研究により、高マッハ数衝撃波では磁気乱流が卓越し、乱流内部に自発的に発動する磁気リコネクションによって電子の加熱・加速が起きることが明らかになった（Matsumoto et al., Science, 2015)）。そこで、SSAとSDAに加えて磁気乱流構造がどのようにして競合するかについて研究を行った。

スーパーコンピュータ「京」の大規模計算資源を使用することにより、世界で初めて高マッハ数衝撃波の大規模3次元構造を第一原理的に明らかにすることに成功した。その結果、衝撃波前方ではBuneman不安定によるコヒーレントな静電場構造、遷移領域においてはイオンワイベル不安定による磁気乱流構造が共存することが明らかになった。電子はまず静電場と相互作用して、SSAによりエネルギーを獲得する。その後、衝撃波近傍では磁気乱流構造に散乱されながらも電場（逆）方向に運動しながらエネルギーを得るSDAを経ることが明らかになった。後者のSDAは強いピッチ角散乱を伴うため、断熱理論で制約されるSDAの加速限界を超えて、非断熱的に継続的に加速することが明らかになった。本成果は現在論文としてまとめられ、Physical Review Letters誌に投稿している段階である。

研究成果

• [雑誌論文] A Possible Time-Delayed Brightening of the Sgr A* Accretion Flow after the Pericenter Passage of G2 Cloud (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohisa Kawashima, Yosuke Matsumoto, and Ryoji Matsumoto
  • 雑誌名: Publ. Astron. Soc. Japan 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Model experiment of magnetic field amplification in laser-produced plasmas via the Richtmyer-Meshkov instability (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuramitsu, N. Ohnishi, Y. Sakawa, T. Morita, H. Tanji, T. Ide, K. Nishio, C. D. Gregory, J. N. Waugh, N. Booth, R. Heathcote, C. Murphy, G. Gregori, J. Smallcombe, C. Barton, A. Diziere, M. Koenig, N. Woolsey, Y. Matsumoto, A Mizuta, T. Sugiyama, S. Matsukiyo, T. Moritaka, T. Sano, and H. Takabe
  • 雑誌名: Phys. Plasmas 巻: 23 ページ: -
  • DOI: 10.1063/1.4944925
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] TIME EVOLUTION OF KELVIN-HELMHOLTZ VORTICES ASSOCIATED WITH COLLISIONLESS SHOCKS IN LASER-PRODUCED PLASMAS (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuramitsu, A. Mizuta, Y. Sakawa, H. Tanji, T. Ide, T. Sano, M. Koenig, A. Ravasio, A. Pelka, H. Takabe, C. D. Gregory, N. Woolsey, T. Moritaka, S. Matsukiyo, Y. Matsumoto, and N. Ohnishi
  • 雑誌名: Astrophys. J. 巻: 828 ページ: -
  • DOI: 10.3847/0004-637X/828/2/93
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 高マッハ数衝撃波における電子のサーフィン・ドリフト加速 (2017)
  • 著者名/発表者名: 松本洋介、天野孝伸、加藤恒彦、星野真弘
  • 学会等名: 日本天文学会年会
  • 発表場所: 九州大学（福岡県・福岡市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [学会発表] Prolonged electron accelerations at a high Mach-number quasi-perpendicular shock (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsumoto, T. Amano, T. N. Kato, and M. Hoshino
  • 学会等名: AGU Fall meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2016-12-13 – 2016-12-13
  • 国際学会
• [学会発表] Three-dimensional structures of high-MA shocks and associated electron accelerations (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsumoto, T. Amano, T. N. Kato, and M. Hoshino
  • 学会等名: 6th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasma
  • 発表場所: Epochal Tsukuba（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2016-07-12 – 2016-07-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] マジックCFL法を用いた相対論的衝撃波の長時間計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 松本洋介、池谷直樹
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合連合大会2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • 年月日: 2016-05-24 – 2016-05-24
• [学会発表] Stochastic electron acceleration during turbulent reconnection in strong shock waves (2016)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Matsumoto
  • 学会等名: EGU General Assembly 2016
  • 発表場所: Vienna, Austria
  • 年月日: 2016-04-20 – 2016-04-20
  • 国際学会 / 招待講演