非一様な媒質中を伝播する無衝突衝撃波中の磁場生成機構の解明

阐明非均匀介质中传播的无碰撞冲击波的磁场产生机制

• 批准号: 17J03893
• 负责人: 冨田 沙羅
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Aoyama Gakuin University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J03893/
• 关键词: ガンマ線バースト; 衝撃波; 磁場; プラズマ物理; プラズマ; 不安定性

宇宙で最大級に明るく輝くγ線バースト(Gamma-Ray Burst, 以下GRBと略す)の正体は未解明である。GRBに続く残光は、起源天体の爆発による噴出物質とGRB周辺の希薄な物質との衝突で生じる、相対論的(光の速度に近い速度を持つ)無衝突衝撃波で加速された電子の放射であり、GRBの正体解明に重要な情報を与えると期待される。しかし、衝撃波での磁場増幅機構や電子加速機構、そして放射機構の物理は未解明である。この問題はGRBだけでなく活動銀河核のジェットやパルサー風星雲など様々な天体現象にも関する重要な課題である。これまで主に調べられてきたのは一様な周辺媒質中を伝播する衝撃波でのエネルギー散逸機構であった。このとき、ワイベル不安定性によって生成される磁場は残光放射時間より早く減衰してしまうのが問題であった。本研究では、周辺媒質にあるマクロスケールの密度揺らぎが、衝撃波で働くミクロなプラズマの運動に与える影響に着目した。そこで、2次元プラズマ粒子シミュレーションを用いて、世界で初めて非一様媒質中を伝播する相対論的無衝突衝撃波での磁場増幅過程を調べた。 その結果、一様な場合での磁場増幅機構に加え、新たに以下の 3 つの磁場生成機構を発見した。1.下流で空間的非等方な密度構造から生成される温度非等方性に起因するワイベル不安定性2.衝撃波上流での長波長な磁場揺らぎを生成するプラズマ不安定性3.下流へ伝播する音波から生成される、温度非等方性に起因するワイベル不安定性これら3つの磁場生成機構はいずれもGRB残光放射に十分寄与する可能性がある。さらに、上記の磁場生成機構がGRB残光で働いてるならば、GRB親星周辺の密度揺らぎの波長が星間空間の典型値よりも十分小さく、従ってGRB親星の周辺環境が我々の銀河とは異なることが示唆された。

伽马射线暴（以下简称GRB）是宇宙中最亮的射线暴，其真实性质仍然未知。伽马射线暴之后的余辉是由相对论性（速度接近光速）无碰撞冲击波加速的电子发射，当源天体爆炸喷射出的物质与伽玛射线暴周围的薄材料碰撞时，就会发生这种冲击波。预计这将为阐明伽玛暴的真实性质提供重要信息。然而，冲击波中的磁场放大机制、电子加速机制和辐射机制的物理原理仍然未知。这个问题不仅对伽玛暴很重要，而且对活跃星系核喷流和脉冲星风星云等各种天文现象也很重要。迄今为止，主要研究的是冲击波在均匀周围介质中传播的能量耗散机制。此时的问题是，韦贝尔不稳定性产生的磁场衰减速度快于余辉发射时间。在这项研究中，我们重点研究了周围介质中宏观密度涨落对冲击波驱动的微观等离子体运动的影响。因此，我们在国际上首次利用二维等离子体粒子模拟研究了在非均匀介质中传播的相对论无碰撞冲击波的磁场放大过程。 结果，除了均匀情况下的磁场放大机制之外，我们还发现了以下三种新的磁场产生机制。 1. 由下游空间各向异性密度结构产生的温度各向异性引起的韦贝尔不稳定性 2. 冲击波上游产生长波长磁场波动的等离子体不稳定性 3. 由于声波产生的温度各向异性引起的向下游传播韦贝尔不稳定性 所有这三个。这些磁场产生机制可能对GRB余辉辐射有显着贡献。此外，如果上述磁场产生机制在GRB余辉中起作用，则GRB母星周围的密度涨落波长远小于星际空间中的典型值，因此GRB母星的周围环境类似于我们的银河系被认为是不同的。

项目成果

Comparison of magnetic reconnections driven by external magnetic field and self-generated magnetic field in laser produced plasmas

激光等离子体中外部磁场和自生磁场驱动的磁重联比较

• 发表时间: 2019
• 作者: 境 健太郎;羽原英明;南卓海;檜原崇正;坂和洋一;佐野孝好;藤岡慎介;小島完興;坂田匠平;S. H. Chen;Y. L. Liu;N. Khasanah;C. W. Peng;T. Y. Huang;N. Bolouki;諫山翔伍;H. H. Chu;松清修一;富田 健太郎;森田太智;佐藤裕太;内野喜一郎;山崎了;冨田沙羅;高部英明;星野真弘,蔵満康浩
• 通讯作者: 星野真弘,蔵満康浩

非一様媒質中を伝播する相対論的無衝突衝撃波のParticle-in-cell simulation

非均匀介质中传播的相对论无碰撞冲击波的粒子在细胞模拟

• 发表时间: 2020
• 作者: 冨田沙羅;大平豊
• 通讯作者: 大平豊

非一様媒質中を伝播する相対論的衝撃波での磁場増幅過程

非均匀介质中相对论性激波传播的磁场放大过程

• 发表时间: 2017
• 作者: 石坂夏槻;山崎了;田中周太;冨田沙羅;冨谷聡志;遠田裕史;宮田親;瀬井柊人;角地真;河村璃子;杉山慧;鈴木大介;相原研人;神林荘汰;坂和洋一;佐野孝好;R. Kumar;蔵満康浩;松清 修一;森田太智;富田健太郎;枝本雅史;高木麻理子;児島拓仁;星野真弘;大平豊,石井彩子;大西直文;梅田隆行;米田仁紀;小沼杏奈;竹崎太智;境健太郎;森田太智;冨田沙羅;冨田沙羅;森田太智;冨田沙羅;冨田沙羅;冨田沙羅;冨田 沙羅;冨田 沙羅;冨田 沙羅
• 通讯作者: 冨田 沙羅

Full particle-in-cell simulation of the interaction between two plasmas for laboratory experiments on the generation of magnetized collisionless shocks with high-power lasers

• DOI: 10.1063/1.5079906
• 发表时间: 2019-02
• 期刊: Physics of Plasmas
• 影响因子: 2.2
• 作者: T. Umeda;R. Yamazaki;Y. Ohira;Natsuki Ishizaka;Shin Kakuchi;Y. Kuramitsu;S. Matsukiyo;I. Miyata;T. Morita;Y. Sakawa;T. Sano;S. Sei;S. Tanaka;Hirohumi Toda;S. Tomita

Particle-In-Cell Simulation of Relativistic Shocks Propagating into the Inhomogeneous Media

相对论性冲击传播到非均匀介质中的粒子内模拟

• 发表时间: 2017
• 作者: 石坂夏槻;山崎了;田中周太;冨田沙羅;冨谷聡志;遠田裕史;宮田親;瀬井柊人;角地真;河村璃子;杉山慧;鈴木大介;相原研人;神林荘汰;坂和洋一;佐野孝好;R. Kumar;蔵満康浩;松清 修一;森田太智;富田健太郎;枝本雅史;高木麻理子;児島拓仁;星野真弘;大平豊,石井彩子;大西直文;梅田隆行;米田仁紀;小沼杏奈;竹崎太智;境健太郎;森田太智;冨田沙羅;冨田沙羅;森田太智;冨田沙羅;冨田沙羅;冨田沙羅;冨田 沙羅;冨田 沙羅
• 通讯作者: 冨田 沙羅