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1 天体プラズマにおける粒子加速機構 無衝突系粒子シミュレーション 星野真弘理学系研究科 地惑惑星科学専攻

2 内容 ** PIC (Particle In Cell) シミュレーション ** プラズマ輸送係数の研究 (MHD では現象論的に扱う粘性 電気抵抗 熱伝導に関わる物理 ) 非熱的プラズマ ( 局所的熱平衡ではない物理 ) 電子とイオンのエネルギー分配 宇宙での高エネルギー粒子の観測 数値チェレンコフ問題 無衝突系での磁気回転不安定 (Magneto Rotational Instability) と粒子加速

3 太陽風プラズマのエネルギー分布 太陽風のプラズマ 人工衛星を用いて惑星間空間でプラズマのエネルギーを測定 粒子の数 太陽風の速度 10 3 ev ~ 300m/s 10 9 ev ~ m p c 5x10 5 ev ~ m e c エネルギー x10 6 ev

4 太陽風のプラズマ 1 個 /m second Knee 1 個 /m year 宇宙線 太陽系外からの荷電粒子 10 ev 10 8 ev Anle 1 個 /m year 10 1 ev => 宇宙最高エネルギー 10 9 ev 10 1 ev

5 超新星爆発衝撃波の加速 (< ev) Acceleration Acceleration supernova shocs at supernova (<~10 15 ev) shocs Nonthermal Spectrum N(E) E s (s=~3) Flux Escape from the Galaxy >~10 15 ev SN1006 (> ev) Extra Galactic Origin Energy (ev)

6 超新星爆発の衝撃波の観測 Shimada et al. (000) Bamba SN1006 et al. (00) Interplanetary Shoc (Geotail) shoc width= electron SN1006 gyro radius (Chandra) of 10 TeV Tycho (175) Cas A (1680) Shoc 高エネルギー粒子の衝撃波面からの拡散 Fermi 加速 (a) upstream downstream (b) 6

7 宇宙最高エネルギーの宇宙線 (10 0 ev = 16J) GZK Effect:extragalactic cosmic ray cannot be observed due to the interaction of 3K cosmic bacground radiation Flux GZK theory Energy (ev) Energy (ev) 7

8 活動銀河核 光速の のプラズマジェット 相対論的衝撃波 超高エネルギー宇宙線の候補天体 (II)

9 Auger Cosmic Ray Observation sy map in galactic coordinates AGN Jet Arrival Direction of 6x10 19 ev X Active Galactic Nuclei(AGN) Science (007) 9

10 Relativistic Shoc/Magnetic Reconnection magnetic field topology neutron star Crab Nebula Equatorial plane Meridian plane equator rotation axis magnetic axis Kir et al. PRL (004) Kennel & Coroniti, ApJ (1984) 10

11 Energetic ions and electrons in solar flares (GOES class X4.8) X ray (RHESSI) γ ray (RHESSI) [Emslie et al., 004] electrons up to tens of MeV, ions up to tens of GeV [Lin et al., 003]

12 Wind Observation magnetotail SUN Sun Reconnection signatures flow reversal (Vx) wea magnetic field (Bx) hot electron & ion plasmas (Te,Ti) Earth T e ~ several 100eV 300eV power law Oieroser et al. 00

13 宇宙での高エネルギー粒子 遠くの宇宙での粒子加速 超新星爆発にともなる非相対論衝撃波 宇宙ジェットでの相対論的衝撃波 パルサー星雲での相対論的衝撃波 ( 何となく運動エネルギー変換と思われている ) 太陽系での粒子加速 太陽フレアでの磁気リコネクション 地球磁気圏 / オーロラサブストームでの磁気リコネクション ( 何となく磁場エネルギーの変換と思っている )

14 Relativistic Simulations and Numerical Cherenov M. Hoshino Acnowledgements: T. N. Kato and K. Nagata

15 D Relativistic Shoc Simulation 5 E x p l i c i t - F F T, F i l t e r = o f f 4 3 By & Ex 1 upstream downstream X unphysical wave, X-mode wave (light wave), Numerical Cherenov precursor wave

16 Simulation Parameters NX*NY=104*3 NP(initial)=NX*NY*16 σ=0.1, γ=10, mi=me vth/c = 0.0, Lgyro/ x = 50 c t/ x = 0. time step = 4000 CPU = 5min*4CUP (3.7 Gflops) Memory Size = 1. GB,

17 数値ノイズ ( 格子振動 ) の原因は? 空間の差分からくるのか? フーリエ空間ではどうか? 1 次元コードでは現れないのに 次元 /3 次元コードではあらわれるのか? 相対論的な流れ場があるときだけか? プラズマ温度が高い時は現れないのか?

18 Simulation Parameters NX*NY=18*18 NP(initial)=NX*NY*16 γ= , mi=me v th /c = 0.1, Debye/ x = 1 c t/ x = 0.9 time step = 000 CPU = 40sec*6core FFT codes/ Finite Difference code 種類の FFT code (a) Maxwell 方程式の厳密解に基づくもの (b) 空間微分だけをフーリエで置き換えたもの

19 Numerical Experiment (1) Thermal Run, V b =0 実空間 フーリエ空間

20 Numerical Experiment () V b = , U b =100 v b / c x x y grid oscillation 実空間 large amplitude!! フーリエ空間

21 - diagram for light wave c ( x y ) y x (Nyquist wavenumber)

22 - diagram for entropy wave X 方向にプラズマ全体が速度 v ph で流れている場合 y v ph x (Nyquist wavenumber)

23 aliasing t 3 3 = 1 + three wave coupling : 0 1 if 3 3 1,, then 3 3

24 entropy wave + aliasing wave X 方向にプラズマ全体が速度 v b で流れている場合 y v b aliasing wave x original entropy wave (Nyquist wavenumber)

25 resonance of light and entropy waves v b 0.99 c v b 0.5 y y x v b x cross section : v b / c x x y

26 Numerical Experiment (3) V b =0.5 v b / c x x y 実空間 フーリエ空間

27 Numerical Experiment (4) U b =100, Filter ( 短波長の波動をカット ) 実空間 フーリエ空間

28 Numerical Experiment (5) (cf. シミュレーション天文学 p.00) U b =100, Semi-Implicit-FFT with =0.6 grid oscillation is suppressed 実空間 small amplitude フーリエ空間

29 Semi-Implicit Scheme 自由空間波 (=c) に対して陰的解法 プラズマ効果は陽的解法 =1/ 時間に対して中央差分 1/< <1 後退差分 (note: 通常は = 0.501~0.505 がお勧め ) (cf. シミュレーション天文学 p.00)

30 Numerical Experiment (6) U b =100, Relativistic hot plasma T/mc =10 grid oscillation is suppressed 実空間 small amplitude numerical Cherenov フーリエ空間

31 FFT + 短波長フィルター 5 E x a c t ( J, E B, F ) = ( O f f, O n, O f f ) 4 3 By & Ex X

32 finite difference scheme 0 1 B E B E t c j j j j B B B B x ) / ( ) / sin( ) exp( c t i i B B B B B x j j j j j =c numerical dispersion =v b (v b =0.9) resonance 0

33 resonance of light and entropy waves (finite difference scheme) v b 0.99 v b 0.5 y y x direct resonance by numerical dispersion effect x

34 Numerical Experiment (7) U b =100, finite-difference scheme 実空間 numerical Cherenov フーリエ空間

35 Numerical Experiment (8) V b =0.5, finite-difference scheme 実空間 numerical Cherenov フーリエ空間

36 Origin of Numerical Cherenov resonance between physical wave (light wave) and entropy wave (density fluctuation wave) with aliasing effect 対策 : (1) 短波長の波動を Filter で落とす. () FFT code を使う.

37 FFT scheme ). ( 4 ) ( 0, ) ( ), ( ) ( 1 ), ( 4 ) ( ) ( 1 E B E i t B c J c B i t E c. 4 ) cos( 1 ) sin( ) cos(, 4 4 ) sin( ) cos( 1/ 1 1 1/ 1 n t n t n t n n n n t n t n J c c i E c i B c B i J c B i c E c E (cf. Birdsall & Langdon, p.365)

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