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。

宇宙射线由核子组成，其最大能量达到10个平行的电子伏特，并且在外太空中广泛分布，但是存在一个主要问题，即它们不清楚或不清楚。在宇宙射线中，据信能量为1 PEV或更少的能量的颗粒被超新星残留物（SNRS）加速了几百年，但最近的伽马射线天文学的进步最近也表明，即使在Young SNR中，宇宙射线的最高能量也占100 TEV。据信，在SNR中加速宇宙射线颗粒的最可能机制是费米加速度，其中被磁波散布在冲击波附近并逐渐加速的颗粒。但是，要以费米加速度将颗粒加速至1PEV，需要1 mgauss水平的磁场强度，这显着高于星际介质的平均强度。已经提出了一些用于扩增加速所需的磁场的机制，其中其中，在宇宙射线和磁液之间起作用的不稳定性（称为贝尔不稳定性）是有效的。这项研究旨在使用流体和宇宙射​​线的混合代码来阐明宇宙射线加速度，该射线可以同时模拟磁液的动力学，例如冲击波和磁场放大，以及宇宙射线加速度的动力学和宇宙射线的传播动力学。今年，我们专注于SNR中的宇宙射线加速度，而不是在围绕偶有媒体的超新星爆炸开始时的宇宙射线加速，这是自爆炸以来已有数百年历史了，观察验证更容易。通过塑造参数重复仿真，特别强调星际介质的密度，这在这种环境中尤为重要。结果，据透露，与上一年的结果一样，由于贝尔不稳定性而导致的磁场放大水平大约比到目前为止预期的小数量级，并且将实现的宇宙射线的最大能量仅在TEV的观察结果所暗示的能量上。

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

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

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