冨⽥ 沙羅（東北⼤学 学際研）
⼤ 平
豊 （ 東 京 ⼤ 学 ）當真賢⼆1, 富⽥賢吾1, ⽊村成⽣1(1東北⼤)⾼エネルギー現象で探る宇宙の多様性Ⅰ, 2021年 10⽉ 18-19⽇, 東⼤宇宙線研/Zoom無衝突衝撃波近傍の磁場
⾼エネルギー天体現象でできる無衝突衝撃波：宇宙線の⽣成機構、⾼エネルギー光⼦の放射領域→衝撃波近傍の磁場の情報が重要。 →未知!!
Sato, T. et al. 2019

NASAKovalev et al. 2007

磁場の情報がわかれば、宇宙線加速機構や天体の周辺環境が理解できる！
2

衝撃波近傍磁場についての問題点!! ⁄#$• 星間磁場(~μG)を衝撃波圧縮した時、!! = %&'(! ~$%)*

Percentage ofGRBs(out of 35)

25
20
15
10
50-8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0!"# !" $#• 磁場構造は？
• 衝撃波上流の磁場の情報は未知。

磁場増幅機構の理解が必要！！

衝撃波での乱流ダイナモによる磁場増幅
磁気流体(MHD)シミュレーション(Inoue et al. 2011)
衝撃波下流の乱流のエネルギー＞

磁場のエネルギー
shock
上流である限り、磁場を増幅できる。

しかし、現実は無衝突衝撃波。
• ⾮熱的粒⼦の⽣成• 宇宙線による磁場増幅• 粒⼦拡散→MHD近似は常に成り⽴つか？

密度 flow
磁場接触不連続⾯
下流

shock

下流

上流

flow

衝撃波のシミュレーションセットアップ• 松本(洋)さん(千葉⼤)の2次元PICコード、Athena++のMHDコードを使⽤。
• !± プラズマ (相対論的衝撃波下流では電⼦陽⼦プラズマに等しいと近似可能)• 計算機：Cray XC50（3000コア）@国⽴天⽂台&⁄&" 粒⼦の空間分布)* + !

• 計算領域： "% = $%&' &⁄'!" , "( = %&'' &⁄'!#(∆+ = ∆, = '. % &⁄'!#)• 粒⼦数： 80個/cell,/ = .%
下流静⽌系
反射⾯

振幅 3

全粒⼦数〜1012個
−2&

衝撃波⾯
下流

上流2& (半値幅)2Clump中⼼ +2&球対称の密度clump
熱速度0.18c&'-

⼊射⾯

ローレンツ因⼦0 = 1/=+=-+ = .$

衝撃波のシミュレーションセットアップ• 上流の磁化パラメター (6 = '7- ⁄*+,- -6.7
• (密度clumpのサイズ/08 )/(ジャイロ半径096)と振幅1の設定!

"' #$( /$#'

case1

0.5

10-3

9.5

case2

0.5

10-5

0.9

case3

10

10-3

9.5

(GRB残光の場合)
乱流ダイナモによる磁場増幅で必要な”密度揺らぎのサイズとジャイロ半径の⽐”,• “Eddy Turn Over Time ≤衝撃波の減速時間” : ≤ *-.&&
• 上流磁場が3μG
より、"! ≈10-100 (下流静⽌形).
#$

<latexit sha1_base64="R80+mt6SeOZvD3GVQ8uLj0ndIwA=">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</latexit>y[c/!pe ]"# , 振幅

結果: MHD ("! = $%密度n1200

600
600000⻩領域:下流400
⻘領域: 上流800 1200

. [0⁄1/0 ]&,&"0& = %. ()磁場By1200

400 800 1200
. [0⁄1/0 ]-(-"<latexit sha1_base64="R80+mt6SeOZvD3GVQ8uLj0ndIwA=">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</latexit>y[c/!pe ]結果: PIC ("! = $%"# , 振幅 & = %. ()密度n1200

600600000
⻩領域:下流400&,
⻘領域: 上流 &"800 1200

磁場By12000400 800 1200

& [)⁄*3' ]＊密度の布の⽩領域はまだ粒⼦は注⼊されていない。

& [)⁄*3' ]!%:!
'<latexit sha1_base64="R80+mt6SeOZvD3GVQ8uLj0ndIwA=">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</latexit>y[c/!pe ]<latexit sha1_base64="R80+mt6SeOZvD3GVQ8uLj0ndIwA=">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</latexit>y[c/!pe ]結果: 振幅依存性(!! =10−3) PIC 密度の空間分布

1200 2=1000下流

上流

600&,
&"

01200 2=0.5
粒⼦拡散が抑えられ、乱流ダイナモが駆動したため、磁場増幅が⾒られた！

600&,
&"

400 800 1200

. [0⁄11.]

Clumpが維持されるために必要な密度揺らぎの振幅

衝撃波⾯
下流

上流clump静⽌系@=1shocked unshocked unshocked
shockedinterclump
clumpinterclump clump>&) '&)'(*>() '()'&*?$,&)
shock

556 = 576より、

3+,8=Eddy turn over time以内に溶ける 溶けない,2,4%,34: 衝撃波通過後のclump 領域の速度

8 + 4%,34&/&" ≈8 − 4%,34“Shocked clumpの速度” >” 磁⼒線⽅向へ拡散する粒⼦の平均速度”より、4%,34 > 489,∥ ≈ J. L0⇒ &,&" ≳ O

まとめ
⾮⼀様な媒質中を伝播する無衝突衝撃波のPICシミュレーション：üclump サイズがジャイロ半径よりも⼤きい場合でも、,⁄,- ≤ $程度の密度揺らぎでは、効率的な乱流ダイナモによる磁場増幅は起きない。
üGRB親星の周辺(星間空間/星周空間)には、もっと⾼密度な密度揺らぎが必要？。
現在、広いパラメター領域や電⼦イオン系についても調べ、乱流ダイナモによって増幅される磁場や、粒⼦のエネルギースペクトルへの影響について解析中。

<latexit sha1_base64="R80+mt6SeOZvD3GVQ8uLj0ndIwA=">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</latexit>y[c/!pe ]"$ , 振幅

結果: MHD ("! = $%密度n120000
⻩領域:下流400
⻘領域: 上流

600. [0⁄1/0 ]&,&"& = %. ()磁場By1200600(6＝$%)B の時も同様に、MHDでは、乱流ダイナモによる0有意な磁場増幅が起きた。
0400 800 1200
800 1200. [0⁄1/0 ]-(-"<latexit sha1_base64="R80+mt6SeOZvD3GVQ8uLj0ndIwA=">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</latexit>y[c/!pe ]<latexit sha1_base64="R80+mt6SeOZvD3GVQ8uLj0ndIwA=">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</latexit>y[c/!pe ]

結果:振幅依存性

60001200

600

00400 800 1200

. [0⁄11.]

速度(!! )空間分布

1200 1=10
Clump周辺の速度>0.35+

1=0.5
5+
衝撃波がclumpを通過後、/ = C--での衝撃波⾯近傍で、上流に向かうD$ ~ + 1-のplasma jetが⾒られる！
→Jet in jet ?!
Blazerの短時間変動の起源かも？

乱流ダイナモによる磁場増幅で必要な密度揺らぎのサイズとジャイロ半径の⽐乱流ダイナモが働く条件 “Eddy Turn Over Time ≤衝撃波の減速時間”から、上流の密度揺らぎのサイズが決まる。

*パラメター値はガンマ線バーストの場合
Q; ∝ S :> ,:/:;
相対論的場合：F,-. ≈ 10/ sec L012,3/ M45,6./ Ȯ 89,:3
Γ<=,>,≈ 10? sec!"#$,&' '()*+,,:&'

Γ1@,> ,(Q; ≈ UVQWF. ).

?/B FG/B=%&'(,*+?@
H > .
P;66< ≈ > ≤ P6;7 より、Q ≲ 10Γ
VW≈
10CD,E,-./,0I1&(In 下流静⽌系)*Wolf-Riet windの分光観測や理論と⽭盾しない。
上流磁場が3μGならば、下流熱的陽⼦のジャイロ半径: XJ5 ≈ 10@ 30245

F?/E

V ⁄YK5 .

したがって、ClumpサイズQ = 10G − 10L 76 とすると、
1&"

密度揺らぎサイズとジャイロ半径サイズの⽐は、#$%≈10-100. (In 下流静⽌系)