相対論的流体における散逸の実用的解法の開発とその高エネルギー天体物理過程への応用

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私は上記のような研究課題に基づき、平成23年度は研究計画通り、前年度までに作成した相対論的散逸磁気流体力学の数値解法を用いて蟹パルサーのσ問題についての研究に取り組み、その1つの有望な解決策を提示した。蟹パルサーのσ問題とはパルサーから放出されるプラズマの磁場の大きさについての観測予測と理論予測の不一致のことである。蟹パルサーの周囲にはパルサー星雲と呼ばれる非常に高温のプラズマが存在しており、そのプラズマの磁場のエネルギーについての観測予測と理論予測の間に4桁以上の開きが存在している。これまでの研究では主にパルサーからパルサー星雲にプラズマが到達するまでに磁場を散逸させる物理過程について研究が行われてきたがいまだ解決には至っておらず、現在のところ否定的な結論のほうが優勢である。この問題に対し、私はパルサー星雲に到達するまでに磁場を散逸させるのではなく、パルサー星雲に入射した直後にパルサー風とパルサー星雲の境界面に存在する衝撃波が駆動する乱流によって磁場を散逸させることを考えた。衝撃波は上流の流体に密度揺らぎが存在する場合、その揺らぎとの相互作用によって衝撃波面が変形され、これにより下流に乱流が駆動されることが知られている。私はこの乱流によりパルサー風に存在することが理論的に予想されている電流面が引き伸ばされ、散逸が加速されるということを数値計算によって示した。また驚くべきことに乱流による散逸の加速はプラズマの散逸係数にはよらずに、乱流の強さにのみ依存することを発見しこれを説明する物理モデルを提出した。本研究の散逸過程は乱流と電流面が存在すれば必ず起こる一般的物理過程であるため、パルサー星雲だけではなく相対論的ジェットやガンマ線バーストなどの強磁場の関係するさまざまな高エネルギー天体現象にも応用できる。