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名大理　樋田美栄子

非線形磁気流体波 による粒子加速. 名大理　樋田美栄子. 大澤幸治、佐藤正俊. 宇佐見俊介（ＮＩＦＳ）、長谷川裕記（地球シミュレータ）. Contents. １． Introduction 　　宇宙における高エネルギー粒子 　　　　フェルミ加速 ２．非線形磁気音波の構造 ３．非線形磁気音波による粒子加速についての 　　理論と粒子シミュレーション 　　 ・　イオンの加速 　　　　 ・　電子の加速 ・　陽電子加速 ４．今後の課題. 太陽フレア I. フレアーに伴って 高エネルギー粒子が生成. ・ 最高エネルギー

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Presentation Transcript

  1. 非線形磁気流体波 による粒子加速 名大理　樋田美栄子 大澤幸治、佐藤正俊 宇佐見俊介（ＮＩＦＳ）、長谷川裕記（地球シミュレータ）

  2. Contents １．Introduction 　　宇宙における高エネルギー粒子 　　　　フェルミ加速 ２．非線形磁気音波の構造 ３．非線形磁気音波による粒子加速についての 　　理論と粒子シミュレーション 　　 ・　イオンの加速 　　　　 ・　電子の加速 ・　陽電子加速 ４．今後の課題

  3. 太陽フレア I フレアーに伴って 高エネルギー粒子が生成 ・ 最高エネルギー • イオン109 ~ 1010 eV • 電子107 ~ 108 eV ・ ~ 1秒以下の短時間で 加速される。 S. R. Kane, E. L. Chupp, D. J. Forrest et al.: Astrophys. J. 300 (1986) L95. E. L. Chupp, H. Debrunner, E. Fluckiger et al.: Astrophys. J. 318 (1987) 913.

  4. 太陽フレア　II ・　大規模なフレアー 背景のコロナの組成とほぼ同じ 太陽高エネルギーイオンの組成　 （全ての重イオン種が、同じように加速） J. P. Meyer, et. al. : Astrophys. J. Suppl. 57 (1985) 151 ・　小規模なフレアー ３Ｈｅ過剰現象 　(３Ｈｅの選択的加速） Anglin(1975) , Reames (1990)　等 理論モデル : 電流不安定性 Fisk (1978) 等 M. Toida and H. Okumura : Phys. Plasmas, 11 (2004) 1622

  5. 宇宙線 • 最高エネルギー~ 1020 eV • 起源：不明 • 機構：不明 超新星残骸起源？

  6. Ｘ線分布 高エネルギー電子のシンクロトロン放射 超新星残骸SN1006 高エネルギー電子の加速源 細いフィラメント 状に分布 Chandraによる観測 ASCAによる観測 Bamba A., et al., :ApJ 589 (2003) 827 • K. Koyama, et al. • : Nature 378 (1995) 255.

  7. 超新星残骸 超新星残骸 G347.3-0.5において、陽子がTeVエネルギー に加速されている？ R. Enomoto, et al.: Nature 416 (2002) 823. Y. Fukui, et al.: PASJ 55 (2003) 61. 蟹星雲：中性子星（パルサー）を中心に持つ超新星残骸 高エネルギー粒子の存在 ～100 TeV のガンマ線を観測 T. Tanimori, et al.: Astrophys. J. Lett. 492 (1998) L33. F. A. Aharonian, et al.: Astrophys. J. 539 (2000) 317. パルサー磁気圏は 陽電子を 含むと考えられている 陽電子の効果は？

  8. Fermi加速モデル 宇宙高エネルギー粒子の加速 運動している「磁気雲」に、粒子が何度も反射されて徐々にエネルギーを獲得 標準モデル：　フェルミ加速、衝撃波フェルミ加速 E. Fermi: Phys. Rev. 75 (1949) 1169.

  9. 衝撃波フェルミ加速 上流 波面 下流 ＜仮定＞ 　・ 衝撃波の上流と下流に 　 磁場擾乱存在 ・ その擾乱に散乱されて粒子 　が衝撃波面を何度も横切る V1 V2 Blandford et. al.: ApJ 179 (1978) 573. エネルギースペクトル 統計的加速 加速に長時間を要する 仮定の妥当性は？　　実証は？

  10. 非統計的加速の探求 ・　無衝突プラズマ中の大振幅プラズマ波の構造は？ （非線形波動の研究が重要） ・　その中での粒子の運動は？ ・　その反作用は？ 粒子シミュレーションが強力な研究手段 理論・粒子シミュレーション研究により 様々な加速機構が発見、実証されてきた。 ・　大振幅波面（その付近）の電磁場による加速 ・　短時間で、高エネルギーに加速することが可能

  11. 磁気流体波 一様な磁化プラズマ中の磁気流体波 ・　シアーアルヴェン波　 ・　速い磁気音波　 ・　遅い磁気音波　 粒子加速 以降、磁気音波と記す ＭＨＤ (１流体) モデルによる磁気音波の線形分散関係 　 直角伝播の場合：　w= vAk (vA >> csを仮定) 非線形は？ MHD　⇒　衝撃波 無衝突プラズマ : 散逸？　遷移領域の幅？　構造？　 MHDでは取り扱えない！

  12. ω (|We| Wi)1/2 0 k 非線形効果 　（2流体方程式　⇒　KdV方程式） 孤立波解が現れる 分散効果 非線形効果 幅　～c/wpe ２流体モデルでみた磁気音波 直角伝播の磁気音波の線形分散関係 ⇒　電子の運動が本質的

  13. c/wpe 運動論的効果 一部の粒子が波の電磁場で加速される ⇒　エネルギー散逸 ⇒　左右対称性が壊れて、衝撃波型に 遷移領域の幅～ c/wpi （イオン加速が起こる場合） 非線形波の伝播速度　Vsh=MvA (M>1)

  14. 非線形磁気音波中の電磁場 直角伝播の場合（θ=90°) イオンと電子の電荷分離 斜め伝播の場合は　By ,-Ezが Exと似たプロファイル E||　が存在 波の静止系では 全空間で一定な電場が-y方向に現れるEy0= -vshB0 /c

  15. 非線形磁気音波によるイオン加速 Vo ： 衝撃波上流での速さ（実験室系） 熱的イオン　Vo << MvA ・ 水素イオン　Exによる反射　 R. Z. Sagdeev (1973), R. L. Tokar, et. al. (1985), Y. Ohsawa (1985) ・ 重イオン　Eyによる加速 M. Toida and Y. Ohsawa: Sol. Phys. 171 (1997) 161. Vo ～ MvAのイオン ・　波乗り加速　Ex とローレンツ力による捕捉 ＋ Ey0 (=vshB/c)により加速　 Sagdeev (1973), Katsoules and Dawson (1985), Shapiro (2003) Vo >> MvAの高速イオン ・　斜め磁気音波の　Eyによる多段加速 S. Usami and Y. Ohsawa: Phys. Plasmas 9 (2002) 1069.

  16. イオン加速：縦電場 Ex による反射 f(vx) 波の系での粒子軌道 EX>0 -MvA 透過粒子 透過粒子 反射粒子 （実験室系: 0） -MvA Vx 0 Vref 反射粒子 反射条件 （2MvA） ◉ B Y Ey0 x

  17. イオン加速の粒子シミュレーション 電子とイオンの Full dynamicsを計算

  18. イオン加速の反作用 tos=0.3*2p/Wi T. Kawashima, et. al.: J. Phys. Soc. Jpn. 72 (2003) 1664. 反射イオン　⇒　非定常性、振幅振動、不安定性 （反射イオンのフィードバックに ついては、現在多くの研究が進行中） ⇒　電子加速

  19. 重イオン加速のシミュレーション 主成分　H 　　一部の粒子が 　　縦電場 Ex により加速 副成分　He, O, Fe 全ての重イオン (全種類、全粒子） ほぼ同じ速度に加速 ←　横電場　Ey 太陽高エネルギー粒子の組成 大振幅波の領域 Toida and Ohsawa: Sol. Phys. 171 (1997) 161.

  20. Ex x 重イオンの加速機構 横電場　Ey　 ⇒ 重イオンの vy が増加 Dt=2p/<Wi>

  21. イオンのエネルギー Vo ： 衝撃波上流での速さ（実験室系） 熱的イオン の加速 水素イオン, 重イオン 　Vo ⇒　～MVA のプラズマ（例：太陽の磁力管n=108cm-3, B=100G) E ≥ MeVのイオンを短時間 (1s以下）に生成可能 さらに高エネルギーのイオンを作り出すためには？ Vo ~ MVAの粒子の波乗り加速 Vo >> MvAの高速イオンの多段加速 g > 100 の超相対論的イオンの生成

  22. 高速イオンの加速 高速イオン：　 上流での速さ Vo Ex MvA Vo >> MvA 旋回半径 >> 遷移領域の幅c/wpi x 遷移領域の幅～ c/wpi ⇒Exの効果は無視 Eyによる加速は可能

  23. Ey 高速イオンの加速 ：直角伝播の場合 Y x ◉ Bz X out in 波に追い越されて 加速は１回で終了 Eyによる加速 K. Maruyama, N. Bessho, and Y. Ohsawa: Phys. Plasmas 5 (1998) 3257.

  24. 高速イオンの加速 : 斜め伝播の場合 Ey z V|| 旋回中心 B 磁場: XZ 面内 波の伝播： X方向 V||cosθ= <Ｖｘ> =Vsh（大振幅波の伝播速度） θ x B 1回目とほぼ同じ旋回 位相で突入＆脱出 複数回の加速が可能！ Z Y 多段加速 Eyによる加速 X T. Masaki, H. Hasegawa, and Y. Ohsawa: Phys. Plasmas 7 (2000) 529.

  25. 斜め磁気音波による加速 • tin、 tout磁場の変化のためp^→p//の成分変換。p0// (tout) >p0//(tin)（0//: B0に平行な成分） Ｅｙによる加速で ｐ⊥が増大 • v0// cosθ ~ vsh • 多段加速を受ける。 • p// (v//) の増大。 v0// cosθ > vsh ・ 粒子は波の前方に抜け出てしまい、加速は終了！ B1 B0 波の内外で磁場 の傾きが異なる

  26. vsh ~ c cosq0 • 運動量に上限はないが、速度は光速cを超えられない。 • 衝撃波の出入りによって p||=m0gv0||は増大し続けるが、 v0// cosq0は vsh程度で抑えられる。 ⇒　粒子は衝撃波と共に非常に長い時間動く。　 その結果、加速時間が劇的に増大する。 V0||cosq0> vshにはならない 長時間多段加速 S. Usami, H. Hasegawa, and Y. Ohsawa: Phys. Plasmas 8 (2001) 2666.

  27. gの劇的増大 • 衝撃波に42回加速されて、Lorentz因子がg~4から160以上まで増大した。 S. Usami and Y. Ohsawa: Phys. Plasmas 9 (2002) 1069.

  28. 電子加速 Ex 静電場（Ｅｘ）は、 電子を引き込む方向 MvA 電子の旋回半径　 　　　＜＜　遷移領域の幅 x ⇒ イオンとは異なる 加速機構が必要 遷移領域の幅～ c/wpi 電子加速機構 ・ 反射イオンによる不安定性 ・ 斜め衝撃波の電磁場 ＋非定常性による後部の揺らぎ ・ 衝撃波中の小振幅パルス

  29. 不安定性による電子の加速 反射イオンによる不安定性を介した電子の加速 ・　Lower hybrid 不安定性 McClements, et. al. (1990), Bingham, et. al. (2000) ・　2流体不安定性 Shimada and Hoshino (2002) 反射イオンと衝撃波に向かう電子との間で 　　２流体不安定性が励起、衝撃波上流に 局在化した静電場が形成 衝撃波 ⇒　その静電場による電子捕捉 ⇒　定電場（Ey0)による加速 不安定性が十分成長するためには、Ωe/ωｐe＜＜１

  30. 超相対論的電子の生成 ・　斜め衝撃波による超相対論的 　　電子の加速　　 Bessho and Ohsawa: Phys. Plasmas 6 (1999) 3076. g>100の電子の生成には ・　衝撃波中の小振幅パルスによる 　 加速 Sato, Miyahara, and Ohsawa:Phys. Plasmas 12 (2005) 052308. 上記の条件はなし 広いパラメータ領域で　g>100 の粒子を生成可能

  31. 斜め衝撃波による電子の加速 斜め衝撃波　　 パルス後部のE||の揺動による反射 一部の電子が主パルス領域に捕捉 主パルス領域の電場 Ex, Ey0 電子が超相対論的エネルギーに We/wpe=3 q = 45 M =2.3

  32. 電子加速の機構 波の系での電子軌道 高エネルギーに eFM - eEy0Dy >0 (>0) (>0) y Ey0 Ey0 ◉ 反射されると Bz x Ex Ex Ey0 Ey0 -eFM- eEy0Dy≈ 0 eFM+ eEy0Dy≈ 0 (<0) (>0) (>0) (<0)

  33. 主パルス後部における反射 • 旋回半径 << 遷移領域の幅 • ドリフト近似： Vd 直角伝播　E||=0 斜め伝播　E||≠0 の粒子は反射される 厳密な反射の条件は ＜0 （添字 0 は上流での値）

  34. Fの非定常性と電子捕捉 Fのプロファイル -eF 反射 透過 パルス後面で-Fが正になった時に、電子は反射 Ｆの時間変化　⇒ 反射電子は捕捉される！ Zindo and Ohsawa: Phys. Plasmas 12 (2005) 052321

  35. 捕捉電子の数の変化 単調増加 容易に離脱できない 衝撃波に深く捕捉

  36. 弱磁場中の電子加速 大振幅衝撃波中の小振幅パルスによる加速 We/wpe=0.4 q = 60° γ Mms=17.9 Sato and Ohsawa; Phys. Plasmas 12 (2005)052308

  37. 主パルスと小パルスの伝播 主パルス 小パルス

  38. 小パルスの後方で 高エネルギー電子 が生成 γ＞１００の加速

  39. 小パルス後部における電子加速 dBZ Ey 詳しい議論は ポスター発表で 0 x ◉ ◉ ◉ Ey(behind)で加速 Ey > Ey(in)で減速 ◉ ◉ ◉ ⇒　小パルス後部での加速 -Y behind in

  40. 陽電子を含むプラズマ パルサー磁気圏などに存在すると考えられている。 ・　電子・陽電子プラズマ 電荷分離なし　⇒　縦電場は形成されない 　強い加速を示したものはない Alsop and Arons (1988), Langdon, et. al. (1988), Hoshino, et. al. (1992, 2001) ・　電子・陽電子・イオン プラズマ 電荷分離あり　⇒　縦電場の形成 　　⇒　強い陽電子加速　（g ≈ 2000） 大部分の陽電子が加速 Hasegawa, Usami, and Ohsawa: Phys. Plasmas 10 (2003) 3455.

  41. 位相空間（x，g） 電子・陽電子・イオンプラズマ中の陽電子加速 衝撃波面で ほとんどの粒子が反射 衝撃波に捕捉され 強く加速 g～ 700 に達する

  42. 長時間シミュレーション 電磁場が乱れて、加速は一時停滞するが、その後 電磁場が回復、さらに加速が続く。　g～2000に達する Hasegawa, Kato, Ohsawa: Phys. Plasmas in press

  43. 今後の課題 ・　極めて大きな振幅では？ 　従来の粒子シミュレーション研究：　空間1次元 　（波の伝播方向をＸ方向とすると、ＹＺ方向には無限一様を仮定）　 ・ 波面に沿った方向の構造 衝撃波の構造形成や粒子加速に及ぼす影響は？ ・ 衝撃波面の曲率 ・ 不安定性 3次元粒子コードを用いた非線形磁気流体波と粒子加速のシミュレーション研究が必要

  44. まとめにかえて 　３次元相対論的電磁粒子コードの開発がほぼ完了し、衝撃波のシミュレーション研究を開始しました。 ご期待下さい！

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