Theoretical study of electron stochastic shock drift acceleration in the shock transition region

激波过渡区电子随机激波漂移加速理论研究

• 批准号: 20J13670
• 负责人: 加藤 拓馬
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J13670/
• 关键词: 宇宙プラズマ; 輸送方程式; スペクトル法

宇宙空間には,宇宙線に代表される非熱的な高エネルギー粒子が多数存在している.これらの粒子の加速メカニズムの解明は宇宙空間物理学の重要課題の一つである.中でも超新星残骸衝撃波のような無衝突衝撃波は,粒子加速が発生する主要な現場であるとみなされており,本研究の研究対象である.無衝突衝撃波における粒子加速には,Fermi加速という標準モデルが存在する.しかし,このモデルではおよそ1MeV以下の低エネルギー電子の加速過程を説明できない.申請者は過去の研究でこれらの低エネルギー電子の加速モデルとして,統計的衝撃波ドリフト加速というモデルを過去に提案した(Katou & Amano, 2019).この研究では提案した加速モデルが生成する電子のエネルギー分布が観測と整合するベキ型の分布であり,加速モデルとして有用であることを示した.本研究はこの研究を発展させて統計的ドリフト加速モデルについて理論と数値計算の二つのアプローチでより詳しく調べることによって,衝撃波での電子加速についてより深い理解を得ることを目的としている.採用1年目である昨年度は主に理論的な手法を用いた研究の方に着手し, 理論計算を行うためのコードを作成した.このコードは, 電子の運動を記述する偏微分方程式であるピッチ角散乱方程式を解くためのコードで, 電子の分布関数の空間・エネルギー・ピッチ角依存性の時間発展を計算できる3次元コードである. 過去の研究では, エネルギー依存性しか議論できていなかったので,このコードを用いることによってより詳細に電子加速について調べることができる. ピッチ角依存性については, 分布関数をルジャンドル関数によって展開し, 擬スペクトル法を使用した. これによって通常使用される差分法による計算に比べて必要なグリッド数を大幅に減らすことができ, コードの高速化を実現した.

空间中有许多非热的高能量颗粒，由宇宙射线代表。这些颗粒加速的机制是外太空物理学中的重要问题之一。其中，无碰撞的无冲击波（例如超新星残余电击波）被认为是发生粒子加速的主要部位，并且是这项研究的主题。在无碰撞冲击波中，有一个称为费米加速度的标准模型。但是，该模型无法解释低于1 MEV的低能电子的加速过程。在先前的研究中，申请人提出了一个称为统计冲击波漂移加速度作为这些低能电子的加速模型的模型（Katou＆Amano，2019）。这项研究表明，提出的加速模型产生的电子的能量分布是与观测值相匹配的功率类型分布，可作为加速模型。这项研究旨在开发这项研究，以通过两种方法检查统计漂移加速度模型来深入了解冲击波中的电子加速度：理论和数值计算。去年是采用的第一年，主要使用理论方法进行研究，并创建了用于执行理论计算的代码。该代码用于求解倾斜角散射方程，它们是描述电子运动的部分微分方程，并且是一个三维代码，可以计算电子分布函数的空间，能量和俯仰角依赖性的时间演化。在先前的研究中，只有能量依赖性，因此可以使用此代码更详细地调查电子加速度。对于俯仰角依赖性，使用Legendre函数扩展了分布函数，并使用了伪谱法。与使用通常的差异方法相比，这显着减少了所需的网格数量，并使代码更快。

项目成果

スペクトル法を用いた電子輸送方程式の計算コードの開発

谱法电子输运方程计算代码的开发

• 发表时间: 2020
• 作者: 加藤拓馬;天野孝伸
• 通讯作者: 天野孝伸