相対論的ブラソフコードを用いた衝撃波における高エネルギー粒子加速

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昨年度までの研究では1次元のプラズマ粒子コードを用いたシミュレーションを行い、強い準垂直衝撃波において一部の電子がサーフィン加速とドリフト加速と呼ばれる二つの機構を介して非常に効率良く加速され得ることが分かってきた。この機構で生成された被加速粒子のエネルギーはFermi加速によって加速されるために十分なエネルギーを持ち、衝撃波粒子加速理論における最大の問題点である注入問題を解決し得る。しかしこれらの結果は1次元性を仮定したものであり、より現実的な見積りには多次元性を考慮することが必須課題である。そこで本年度はこれまでの結果を2次元に拡張し、粒子加速効率をより詳細に調べた。強い衝撃波においてはBuneman不安定性と呼ばれる2流体不安定性が起こることが知られており、電子サーフィン加速に重要な役割を果たす。特にこの不安定により励起される静電波動のエネルギーは被加速粒子の最大エネルギーを決める重要な指標である。そこで2次元周期系においてBuneman不安定性の粒子シミュレーションを行い、励起される波動の最大エネルギーを調べた。その結果多次元においては斜め伝播波動による効率的な散乱が働き、飽和時の電場エネルギーは1次元の場合の20-30%程度に留まることが分かった。上記は簡単化した周期系のシミュレーションから得られた結論であったが、さらに垂直衝撃波の2次元シミュレーションも行い、電子の加速効率を調べた。その結果、2次元であっても電子の加速は効率良く起こることが分かった。詳細な解析の結果、加速機構はサーフィン加速が多次元性によって変性を受けたものと分かった。本研究の結果、超新星残骸で見られるような強い衝撃波において1次元で有効だと思われたサーフィン加速が2次元でもやはり働き、電子の注入に関して重要な役割を果たすことが明らかになった。