無衝突衝撃波による高エネルギー粒子の起源:粒子法計算によるアプローチ

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研究目標:衝撃波による粒子加速の問題は、高エネルギー天体プラズマ物理学の中心課題の一つであり、活動銀河核や超新星などでの高エネルギー粒子の起源を理解していく上でも重要である。本研究では運動学的粒子法による数値シュミレーションの手法を用いて、プラズマ集団現象による加速粒子と波との相互作用に焦点を当てた研究を行い相対論的粒子加速の過程を明らかにしていく事を目標とする。特に、相対論的な大きなマッハ数での衝撃波の構造を調べプラズマ粒子間のエネルギー輸送の問題に焦点を置く。研究成果:イオンと電子の2成分プラズマ中では、衝撃波上流のプリカーサ波動が粒子の加速に重要な役割を果たしていることが解った。そして、電子は、衝撃波上流でのイオンの運動エネルギーにほぼ等しくなるところまで加速されることが明らかになってきた。これは次のように理解できる。無衝突衝撃波では衝撃波上流から来た粒子が衝撃波面で反射され、その局所的熱平衡から外れた速度分布関数が電磁波を励起する。相対論的な大きなマッハ数になると衝撃波上流のプラズマ系では励起される波の振幅が大きくなり、波の非線形作用としての「動重力」が効きイオンと電子のエネルギー交換が行われる。これまでの一連の相対論的衝撃波の研究で、シンクロトロン星雲のような電子・陽電子・イオンの3成分系での衝撃波でも又より一般的なイオン・電子の2成分系での衝撃波でも、運動学的加速過程は異なってもマクロに見たレプトンの加速効率はほぼ同じで慣性の大きいイオンの持つエネルギーがレプトンに渡されることが明らかになった。