2016 Fiscal Year Annual Research Report
宇宙線のフラクタル拡散・加速の複数衛星による観測的検証
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15J40063
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
大塚 史子 九州大学, 総合理工学研究院, 特別研究員(RPD)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 高エネルギー粒子 / 粒子拡散・加速 / 地球フォアショック / 沿磁力線ビーム / 磁気流体波動 / PIC計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H28年度は、H27年度に未解明であった、クラスター衛星観測より得られた低エネルギー側の粒子拡散過程をテスト粒子計算により明らかにした。クラスター衛星が取得した衝撃波上流磁場データのスペクトル解析を行った結果、衝撃波面へ近づくにつれ、沿磁力線ビーム(Field-aligned beam: FAB)が励起した低周波アルフヴェン波は減少し、一方、高周波側の波動が増加していることを見出した。これは、FABが励起した狭帯域の強い波動エネルギーが、太陽風に押し流される過程で順カスケードしたことを示唆する観測事実である。テスト粒子計算の結果、これら衝撃波近傍で卓越した高周波の波動が、低エネルギー側のイオンを効率良く散乱することを見出し、我々の数値計算結果は、ハンガリーの観測チームの直接観測結果とも良い一致を得た。また、この高効率散乱がイオンを衝撃波近傍に長く留まらせ、これによって衝撃波フェルミ加速効率が上昇する可能性を指摘した。これらの成果は論文として公表された。
また、粒子運動と電磁場の時間発展を自己無撞着に解く１次元全粒子(Particle-in-cell: PIC)計算を実施し、地球フォアショックを数値的に再現した。フォアショックは、準平行衝撃波上流遠方まで広がっており、これを再現するためには、大スケール・長時間のPIC計算が必要である。我々は、従来の地球フォアショックのPIC計算よりも一桁程度大きい計算領域において長時間計算し、衝撃波面から上流へ逆走するFABの生成およびFABによる波動励起から粒子散乱に至る一連の過程を再現し、初期結果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はハンガリーの観測チームと連携し、粒子拡散における沿磁力線ビームの役割を理論・シミュレーション・観測の側面から明らかにし、２本のシリーズ論文として投稿し、内１本（第一著者：大塚）はThe Astrophysical Journal へ掲載され成果を得た。また当初の予定では、テスト粒子計算と複数衛星観測による解析のみを行う予定であったが、全粒子(Particle-in-cell: PIC)計算に取り組み、地球フォアショックを再現した点は、当初予定していなかった成果である。当初の予定では、非古典的拡散の観点から解析を行う予定であったが、古典的拡散の枠組み内での議論にとどまった。しかしPIC計算では、衝撃波へ近づくにつれ発達する非線形波動が観測されており、これら非線形波動と相互作用する粒子運動統計は、非古典的振る舞いをすることが期待できる。以上の理由により、研究進捗状況は総じて順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
地球フォアショックを数値的に再現したPIC計算の初期結果を論文として取りまとめる予定である。また、PIC計算より得られる波動・粒子データを詳しく解析する予定である。具体的には、静電的・電磁的波動の時空間発展と粒子速度分布との関連付けや、被加速粒子の軌道解析により加速メカニズムを明らかにすることを予定している。
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