第32回 理論懇シンポジウム

相対論的無衝突衝撃波における高強度電磁波放射と粒子加速

2019/12/26

岩本昌倫1, 天野孝伸1, 星野真弘1, 松本洋介2[1]東京大学; [2]千葉大学

天体からのコヒーレント放射
黒体放射2𝑘& 𝑇& 𝜈 ))𝐿" =4𝜋𝑟𝑐)
𝑇& :輝度温度[Pietka+ 2015]

FRBs
𝐿" [Jy・kpc2]

輝度温度が高い(𝑇& > 101) 𝐾)→制動放射やシンクロトロン放射
では説明できない→コヒーレント放射

コヒーレント放射ü 高速電波バースト(FRB)ü パルサーの巨大電波パルス(GRP)ü 木星のデカメートル電波放射(DAM)などはコヒーレント放射

Pulsar GRPs

Jupitar DAM101) K

4

𝜈 × [GHz・s]
5

特にFRBは放射源・放射機構ともに未解明
2019/3/16

天文学会2019年春1コヒーレント放射とインコヒーレント放射
インコヒーレント放射

𝜹𝑬𝑵𝑒L

コヒーレント放射

𝜹𝑬𝟏

𝜹𝑬𝟐放射強度∝ 𝜹𝑬𝟏 + 𝜹𝑬𝟐 + ⋯ + 𝜹𝑬𝑵 )∼ 𝜹𝑬𝟏 ) + 𝜹𝑬𝟐 ) + ⋯ 𝜹𝑬𝑵 )= 𝑁× 𝜹𝑬 )𝜹𝑬𝟏
𝜹𝑬𝟐𝜹𝑬𝑵放射強度∝ 𝜹𝑬𝟏 + 𝜹𝑬𝟐 + ⋯ + 𝜹𝑬𝑵 )∼ 𝑁𝜹𝑬 )
= 𝑁 ) × 𝜹𝑬 )コヒーレント放射は極めて明るい→輝度温度も高い
どうやって天体プラズマで電子の位相をそろえる？
2019/12/27

シンクロトロンメーザー不安定(SMI)
減速→位相の進み

加速→位相の遅れ

𝐵S

𝛿𝐸𝑒L

電子バンチ

𝐵S

𝛿𝐸

𝜔5𝑒𝐵
𝜔5 =𝛾𝑚𝑐ü 電子がリング状の分布をしていると不安定化
ü 木星のデカメートル電波放射の発生機構
ü 電子バンチを自己無撞着に生成→コヒーレント放射
2019/12/27

𝜔5相対論的衝撃波でのSMI
ü 相対論的衝撃波は高強度電磁波を放射する(e.g., Langdon+ 1988)
ü 衝撃波面にリング状の速度分布を形成→SMIによるコヒーレント放射 (Hoshino & Arons 1991)
衝撃波面

下流

𝑦𝑩𝟐

上流
𝑩𝟏𝑒L
コヒーレント放射𝑥𝑧
シンクロトロンメーザー不安定
2019/12/26

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4相対論的衝撃波におけるSMIの問題点
問題点
多次元系では衝撃波面の非一様性がリング分布を乱しコヒーレント放射は持続しない?
(Sironi & Spitkovsky 2009)[Hoshino & Arons 1991]

SMIは高調波を励起(Hoshino & Arons 1991)→先行研究は解像度が不十分

電磁波強度[Iwamoto+ 2017]

背景磁場強度
2019/12/26

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5シミュレーション設定
第一原理に基づくPICコード(Ikeya&Matsumoto 2015)を使用
定数

座標系

ü 時間ステップ:
𝜔XY ∆𝑡 = 1⁄40
Δ𝑥 ⁄(𝑐⁄𝜔XY ) = 1⁄40

ü １セルあたりの粒子数:𝑁1 ∆𝑥 ) = 64reflecting wall

ü 格子幅:yshock front

B1

𝛾1
plasma flow

ü 上流のローレンツ因子:
upstream
downstream
𝛾1 = 40変数zü 質量比𝑚a= 1, 50 （電子・陽電子プラズマ/電子・イオンプラズマ）𝑚Y
ü 背景磁場強度𝐵1)
𝐵1)
𝜎Y ≡,𝜎 ≡4𝜋𝛾1 𝑁1 𝑚Y 𝑐 ) a 4𝜋𝛾1 𝑁1 𝑚a 𝑐 )2019/12/26

第32回 理論懇シンポジウムx6

計算結果：電子・陽電子プラズマ
𝜎Y = 3×10Lg

←下流

上流→
𝑁Y

プラズマ流

𝐵j
𝐵j

2019/12/26

第32回 理論懇シンポジウム

7計算結果：電子・陽電子プラズマ
𝜎Y = 3×10Lg
上流→

← 下流

プラズマ流

電磁波
多次元系でも大振幅電磁波は励起可能

2019/12/26

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8放射効率:１次元 vs ２次元ü ２次元系の放射強度は１次元系よりも小さくなる
Ø 衝撃波の非一様性に起因
Ø 𝜎Y < 10L) では２次元系のみ新たな不安定が励起してより非一様に→放射強度のさらなる低下
ü 幅広い𝜎Y で高強度コヒーレント放射が励起可能
2019/12/26

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9計算結果：電子・イオンプラズマ
𝜎Y = 5𝜎a = 0.1𝑚a ⁄𝑚Y = 50

𝑁Y
Plasma flow

𝑁a𝐵j

𝐵j
𝐸l𝐸l𝑢lY𝑢nY
𝑢la𝑢na2019/12/26

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10計算結果：電子・イオンプラズマ
𝜎Y = 5𝜎a = 0.1𝑚a ⁄𝑚Y = 50

𝐵j

𝐸l

𝑁Y
Plasma flow

𝑁a𝐵j

電磁波𝐸l

航跡場

𝑢lY𝑢nY

被加速粒子

𝑢la𝑢na2019/12/26

𝑥/(𝑐/𝜔XY )第32回 理論懇シンポジウム11粒子のエネルギースペクトル
プラズマ静止系

ü 非熱的な電子とイオンが衝撃波上流で生成される
ü ベキ型の分布を形成
ü 電子とイオンがエネルギーを等分配電子
イオン

𝐸l𝑢lY𝑢nY𝑢la𝑢na
2019/12/26

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12非熱的粒子の軌道
電子

イオン

解析解

ü 𝑣×𝐵電場による加速のみを考慮した解析解と一致
ü 航跡場で十分に減速された粒子はバルクから外れ、誘導電場を感じるü 最高到達エネルギーは解析解から
𝛾rsl ∼ 𝛾1)

2019/12/26

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13放射効率：電子・陽電子系 vs 電子・イオン系

𝜎Y ≳ 1 で放射強度の急激な増幅→ イオンと電子のカップリング2019/12/26

第32回 理論懇シンポジウム

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正のフィードバック
放射強度

航跡場

電子速度𝜸𝒆↑
航跡場強度↑

自由エネルギー↑
放射効率↑2019/12/26

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15放射強度の再スケール

ü 電子とイオンが上流でエネルギーを等分配r→実効的なローレンツ因子：𝛾 ∗ = x 𝛾ry

ü 再スケールした放射効率:
𝜖XaY 𝜎Y𝑚a Xsa4 𝑚a=𝜖𝜎
𝑚Y X𝑚Y Y→電子・イオンの放射強度をうまく説明
2019/12/26

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FRBへの応用[Metzger+ 2019]

衝撃波

フレアマグネター

ü マグネターからのフレアが相対論的衝撃波を形成→SMIによるコヒーレント放射(Lyubarsky 2014; Beloborodov 2017; Plotnikov & Sironi 2019; Metzger+2019; Margalit+ 2019)ü 電子バンチの存在を仮定しなくてよい2019/12/26

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FRBへの応用
上流に放射されるエネルギー
𝑓| => 10Lg
衝撃波に流入する全エネルギーが𝜎}~} = 0.1 − 1で満たされればSMIでFRBの観測を説明可能(Margalit+ 2019)

幅広い𝜎}~} で𝑓| > 10Lg
→SMIはFRBに適用可能？

2019/12/26

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まとめ
高解像度計算を用いて相対論的衝撃波でのシンクロトロンメーザー放射と粒子加速を解析
ü 多次元系でもコヒーレント放射は生じるü 電子・イオンプラズマでは放射効率が電子とイオンのカップリングにより劇的に増大
ü 航跡場で十分に減速された粒子は誘導電場で加速され、上流で非熱的な分布を形成
ü 最高到達エネルギーは𝛾rsl ∼ 𝛾1)
ü SMIの放射効率はFRBを十分に説明できる

2019/12/26

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