Electron acceleration at Earth's bow shock: PIC simulations and MMS observations

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地球バウショックの準垂直衝撃波側では、ベキ乗のエネルギースペクトルを持つ非熱的電子が人工衛星によるその場観測で直接捉えられているが、その加速メカニズムの詳細は明らかでない。本研究では、従来と比べ圧倒的な高時間分解能を誇るMMS衛星との比較に耐える高精度の衝撃波シミュレーションを行い、電子が電磁場構造・波動とどこでどのような相互作用を経て、ベキ型の電子エネルギースペクトルを生成するにいたるのか、その過程を解明することを目的としている。本年度は、１次元全粒子計算による衝撃波シミュレーションを行い、衝撃波再形成過程に伴い、衝撃波遷移層前面に突発的に生成される高エネルギー電子の詳細な軌道解析を行い、種々の加速メカニズムの寄与を定量的に評価した。その結果、衝撃波遷移層内に励起された定在ホイッスラー波動が電子加速に最も寄与することを明らかにした。電子は、定在ホイッスラー波動の磁場変動がもたらす微細構造に捕捉されている間に、ホイッスラー波動の静電場成分とのランダウ共鳴によって、効率よく加速される。地球バウショックの準垂直衝撃波の遷移層内でホイッスラー波動が電子散乱に寄与することが、MMS衛星による観測的証拠として報告されている(Oka et al, 2017, 2019)。本年度の高解像度数値実験で得られた、定在ホイッスラー波動による電子の局所的な加速メカニズムは新しく、本成果はホイッスラー波動と電子加速の関係性を観測的に検証するための足がかりとなり得る。