電子-陽電子プラズマ中の電磁波動励起と非線形発展

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天体プラズマ現象への応用を念頭におき、超高エネルギーを持つ粒子分布によるプラズマミクロ不安定性を、理論および数値シミュレーションにより解析した。粒子分布としては、磁力線に平行および垂直なエネルギー源をもつ、ビームとリング分布を典型的な場合として考察した。既知の通り、ビーム分布はランダウ共鳴により静電波を励起するが、同時にサイクロトロン共鳴によっても静電波動は励起される。非相対論的プラズマにおいては、プラズマの広いパラメーター領域でランダウ共鳴が支配的であるが、ビームが超高エネルギーで、相対論的効果が強い場合、静電波は主としてサイクロトロン共鳴により励起されることを、線形分散式の解析および粒子シミュレーションにより示した。これは、ビーム速度が光速に非常に近い場合、平行方向の運動に対する効果的質量が大きく、プラズマ電流を生起できないためである。一方、サイクロトロン共鳴の場合、加速度はビームと垂直方向だから、不安定性は影響を受けない。垂直方向の自由エネギーを持つリング分布は、垂直衝撃波下流域や、磁化プラズマ流中での中性粒子のピックアップ過程に伴いしばしば形成される。これまで特に波数k=0付近に励起されるモードに注目した。粒子の初期運動量を大きくすると、波動エネルギーの飽和レベルが急激に低下する臨界点が存在する。臨界点近傍における波動の長時間発展は、通常の線形成長から非線形飽和を経て、さらに長時間後に非線形成長から第二非線形飽和に至る、2つの段階が存在することが分かった。これは、第一飽和点における一種の過飽和現象と位置づけられ、理論および数値シミュレーションによって、その存在を確認した。