超新星衝撃波における粒子加速シミュレーターの開発と宇宙線起源の解明

超新星冲击波粒子加速模拟器的研制及宇宙线起源的阐明

• 批准号: 20H01944
• 负责人: 井上 剛志
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Konan University (2021-2023)Nagoya University (2020)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H01944/
• 关键词: 超新星残骸; 宇宙線加速; 磁気流体力学シミュレーション; 衝撃波; 磁気流体力学; シミュレーション; 超新星爆発; 粒子加速; 宇宙線; 磁気流体シミュレーション

宇宙線は最高エネルギーが10の20乗電子ボルト以上にも達する核子からなり、宇宙空間に広く分布しているが、 その加速天体や明確になっていないという大きな問題が存在する。宇宙線の中でもエネルギーが1PeV以下の粒子は年齢が数百年程度の超新星残骸(SNR)で加速されると信じられてきたが、近年のγ線天文学の進展により若いSNRであっても宇宙線の最高エネルギーは100TeV程度に留まることが明らかになっている。SNRでの宇宙線粒子の加速機構としては、衝撃波近傍で磁気波動によって粒子が散乱され徐々に加速していくフェルミ加速が有力であると考えられている。しかしながら、フェルミ加速で粒子を1PeVまで加速する為には、1mGaussレベルの磁場強度が必要であり、この磁場強度は星間媒質の平均強度を大きく上回っている。加速に必要とされる磁場を増幅する機構は幾つか提唱されているが、中でもBell不安定と呼ばれる宇宙線と磁気流体の間に働く不安定が有効である。本研究では申請者がこれまでに開発した衝撃波や磁場増幅といった磁気流体のダイナミクスと宇宙線の加速および伝搬のダイナミクスを同時にシミュレート可能な流体と宇宙線のハイブリッドコードを用いて宇宙線加速を解明することを目的とする。本年度は昨年度までに終了した星周媒質が取り巻く超新星爆発ごく初期での宇宙線加速に替えて、より観測的な検証が容易な爆発後数百年が経過したSNRにおける宇宙線加速に焦点を当てた。このような環境下で特に重要となる、星間媒質の密度について特に重点的にパラメータを振ってシミュレーションを重ねた。その結果、前年度の成果と同様に、Bell不安定による磁場増幅レベルはこれまでに期待されたものよりも１桁程度小さく、その結果として実現される宇宙線の最大エネルギーは観測が示唆するエネルギーである数十TeV程度にとどまることが明らかとなった。

Cosmic rays have a maximum of 10 and 20 electrons, and there are problems with nuclear radiation, outer space distribution, and accelerating celestial bodies. Cosmic ray particles below 1PeV have been accelerated to the supernova remnant (SNR) level for hundreds of years. Recent advances in gamma-ray astronomy have shown that SNR has been accelerated to the highest level of cosmic ray at 100TeV. SNR: Cosmic ray particle acceleration mechanism, shock wave near the magnetic ratio, particle scattering, acceleration, acceleration, force, etc. The acceleration of particles at 1PeV is necessary to increase the magnetic field strength of the particles at 1mGauss and to increase the average strength of the interstellar medium. Acceleration is necessary to increase the amplitude of the magnetic field, and the mechanism is unstable due to the presence of cosmic rays and magnetic fluids. This study aims to develop shock waves, magnetic field amplification, and magnetic fluid acceleration. Cosmic ray acceleration and migration are also possible. The year ended yesterday with the discovery of cosmic ray acceleration in the early stages of supernova explosions, and the detection of cosmic ray acceleration in the early stages of supernova explosions, and the discovery of cosmic ray acceleration in the hundreds of years after supernova explosions. The environment is particularly important, and the density of the inter-satellite medium is particularly important. The results of the previous year were similar to those of the previous year. The magnetic field amplitude of Bell instability was increased. The maximum generation of cosmic rays was measured at tens of TeV.

项目成果

PeV Cosmic Ray Acceleration in the Supernova Post Breakout Expansion Phase: Kinetic-magnetohydrodynamic Simulations

超新星爆发后膨胀阶段的 PeV 宇宙线加速：动磁流体动力学模拟

• 发表时间: 2021
• 作者: Tsuyoshi Inoue;Alexandre Marcowith;Gwenael Giacinti;Allard Jan van Marle & Shogo Nishino
• 通讯作者: Allard Jan van Marle & Shogo Nishino

Direct Numerical Simulations of Cosmic-ray Acceleration at Dense Circumstellar Medium: Magnetic-field Amplification and Maximum Energy

稠密星周介质中宇宙射线加速的直接数值模拟：磁场放大和最大能量

• DOI: 10.3847/1538-4357/ac21ce
• 发表时间: 2021
• 期刊: The Astrophysical Journal
• 作者: Inoue Tsuyoshi;Marcowith Alexandre;Giacinti Gwenael;Jan van Marle Allard;Nishino Shogo
• 通讯作者: Nishino Shogo

Nature of Supersonic Turbulence and Density Distribution Function in the Multiphase Interstellar Medium

多相星际介质中超音速湍流的性质和密度分布函数

• DOI: 10.3847/1538-4357/ac5a54
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Astrophysical Journal
• 作者: Kobayashi Masato I. N.;Inoue Tsuyoshi;Tomida Kengo;Iwasaki Kazunari;Nakatsugawa Hiroki
• 通讯作者: Nakatsugawa Hiroki

Can Supernova Shock Wave be Accelerator of 1 PeV Particles?

超新星冲击波可以成为1PeV粒子的加速器吗？

• 发表时间: 2020
• 作者: Tsuyoshi Inoue;Alexandre Marcowith;Gwenael Giacinti & Shogo Nishino
• 通讯作者: Gwenael Giacinti & Shogo Nishino

On the potential of faraday tomography to identify shock structures in supernova remnants

法拉第断层扫描识别超新星遗迹中激波结构的潜力

• DOI: 10.1093/mnras/stac1086
• 发表时间: 2022
• 期刊: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
• 影响因子: 4.8
• 作者: Ideguchi Shinsuke;Inoue Tsuyoshi;Akahori Takuya;Takahashi Keitaro
• 通讯作者: Takahashi Keitaro