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電子陽電子中電子陽電子中無衝突衝撃波無衝突衝撃波国立天文台加藤 恒彦2006/11/11高天体現象粒子加速理論研究会於大阪大学電子陽電子中無衝突衝撃波国立1無衝突衝撃波無衝突衝撃波l無衝突中発生衝撃波l粒子間衝突、電場磁場介散逸行無衝突様不安定性複雑関係無衝突衝撃波宇宙高現象無衝突衝撃波宇宙高現象無衝突衝撃波宇宙高現象無衝突衝撃波宇宙高現象各粒子（電子、陽子、各粒子（電子、陽子、）熱化散逸、分配熱化散逸、分配磁場生成磁場生成加速加速衝撃波面衝撃波面電磁場電磁場直接的粒子加速直接的粒子加速無衝突衝撃波無衝突衝撃波放射放射(GRB,AGN,SNR)非熱的高粒子非熱的高粒子衝撃波衝撃波Jump conditioninjection散乱体散乱体加速効率加速効率無衝突衝撃波無衝突中発生衝撃波無衝突2今日話概要今日話概要電子陽電子電子陽電子電子陽電子電子陽電子中中相対論的無衝突衝撃波相対論的無衝突衝撃波相対論的無衝突衝撃波相対論的無衝突衝撃波n無衝突衝撃波無衝突衝撃波n粒子加速粒子加速1.Crab nebula 衝撃波2.無衝突衝撃波特今日話概要電子陽電子中相対論的無衝突衝撃波3Crab Nebula 衝撃波衝撃波Inner X-ray ring=ShockCrab nebula(Chandra,0.5-8keV)PulsarJetInner X-ray ring:衝撃波考衝撃波考pulsar nebulaPulsar wind電子陽電子電子陽電子相対論的流（106-107）Shock wave電子陽電子電子陽電子中相対論中相対論的無衝突衝撃波的無衝突衝撃波NebulaCrab Nebula X線観測線観測Crab Nebula 衝撃波Inner X-ray ri4Crab Nebula 観測観測ICSynchrotronOptOptUVUVX-rayX-rayg g g g-ray-rayRadioRadioIRIR(Aharonian et al.2004)l電波電波線線非熱的放射観測l主、Synchrotron radiation Inverse Compton scattering 説明Optical(c)European Southern ObservatoryImage courtesy of NRAO/AUI and M.Bietenholz Radio (5GHz)X-ray (0.5-8keV)Chandra,NASA/CXC/SAO1MeV1GeV1TeV1keV1eVs=0.005Crab Nebula 観測ICSynchrotronOp5Crab Nebula power-law 電子電子電子分布 (Atoyan and Aharonian,1996)Radio electronsWind electronsa=1.5a=1.5a=2.4a=2.4r=rs2rs4rs10rs100 GeV1015eVlE 200 GeV power law 電子成分電子成分観測良説明l200 GeV E 420 構造、境界影響構造、境界影響下流下流上流上流n ne e/n ne0e0電子数密度電子数密度 net=303衝撃波遷移領域u 26衝撃波伝播衝撃波伝播電子数密度時間進化電子数密度時間進化下流静止系見衝撃波伝搬速度下流静止系見衝撃波伝搬速度衝撃波静止系見上流下流速度衝撃波静止系見上流下流速度衝撃波静止系速度比衝撃波静止系速度比MHD近似近似(Kennel&Coroniti,1984)時間時間 tx 座標座標衝撃波面衝撃波面一定速度一定速度上流側伝播上流側伝播数数Alfven velocityMHD 近似一致近似一致衝撃波伝播電子数密度時間進化下流静止系見衝撃波伝搬27Jump Conditionnet=303電子数密度電子数密度 ne平均速度平均速度 Vx/c磁場磁場 By l下流数密度約下流数密度約4 倍倍（衝撃波系約（衝撃波系約 3 倍）倍）l平均速度平均速度 x=360 付近急激減速付近急激減速l遷移領域強磁場生成遷移領域強磁場生成l衝撃波下流磁場衝撃波下流磁場 MHD 結果一致結果一致背景磁場MHD遷移領域xy遷移領域Jump Conditionnet=303電子数密度 28Counter streaming pair plasmaAlfven velocity粒子加速？背景磁場方向 y 方向 z 方向変次元Magnetic solitary wave 伴衝撃波発生、粒子加速起各粒子（電子、陽子、）熱化散逸、分配相対論的粒子速度電磁波位相速度超平均速度 x=350 付近急激 0 近背景磁場場合衝撃波（背景磁場平面垂直）1 （次元、粒子加速起）200 GeV E 150 加速、衝撃波遷移領域十分上流加速 加速的加速的？l衝撃波面横切時、的的加速見x 座標座標加速粒子加速粒子加速粒子非加速粒子時間時間 tx-（磁場（磁場 z 方向）方向）x-（磁場（磁場 y 方向）方向）加速粒子軌跡x 座標y 座標仕事率-vyEy数密度加速44衝撃波面法線垂直方向（y方向）背景磁場入(Hoshino 2001)(Hoshino 2001)背景磁場 z 方向方加速効率良=110-4 場合、似構造 磁場無場合収束？多電流発生、磁場作対称性、Bz 存在各粒子（電子、陽子、）熱化散逸、分配(Hoshino 2001,Nagata 2005)衝撃波Jump condition背景磁場 y 方向場合(Shibata et al.電子陽電子中無衝突衝撃波無衝突中発生衝撃波Pulsar wind衝撃波下流磁場乱？power-law 的加速見(Shibata et al.次元衝撃波静止系見上流下流速度衝撃波構造背景磁場依存性衝撃波構造背景磁場依存性背景磁場背景磁場 y 方向方向背景磁場背景磁場 z 方向方向t=300t=250l=0.01,0.003、衝撃波面構造、下流密度、伝播速度大異l=110-4 場合、似構造 磁場無場合収束？衝撃波面法線垂直方向（y方向）背景磁場入衝撃波構45衝撃波構造衝撃波構造（=110-4）背景磁場背景磁場 z 方向方向背景磁場背景磁場 y 方向方向t=250背景磁場背景磁場無無t=233構造、伝播速度、十分下流密度、背景磁場無場合変衝撃波構造（=110-4）背景磁場 z 方向背景磁場46粒子粒子背景磁場背景磁場 y 方向方向背景磁場背景磁場 z 方向方向l背景磁場 y 方向場合、小加速効率高l背景磁場 z 方向場合、=0.003 最加速効率良l=110-4 場合、両者分布変 磁場無場合収束？粒子背景磁場 y 方向背景磁場 z 方47結論結論実際衝撃波、構造加速近（実際衝撃波、構造加速近（、異）知、異）知、3次元高解像度次元高解像度必要必要衝撃波構造加速、衝撃波構造加速、衝撃波構造加速、衝撃波構造加速、系対称性大影響系対称性大影響系対称性大影響系対称性大影響結論実際衝撃波、構造加速近（48次元次元A.Spitkovsky,2006(astro-ph/0603211)電子陽電子中衝撃波電子陽電子中衝撃波次元次元数密度数密度磁場磁場200 x 40 x 40 skin depth (2000 x 400 x 400 grid)、数十億粒子粒子加速起粒子加速起l=0.1 （次元、粒子加速起）（次元、粒子加速起）l粒子数少粒子数少（3 10 程度）程度）l小？小？小場合？小場合？小場合？小場合？次元A.Spitkovsky,200649背景磁場無場合衝撃波背景磁場無場合衝撃波背景磁場場合衝撃波（背景磁場平面内）背景磁場場合衝撃波（背景磁場平面内）l衝撃波発生衝撃波発生lWeibel 不安定性、遷移領域磁場生成不安定性、遷移領域磁場生成 散逸担散逸担l粒子加速見粒子加速見l=0.003 程度背景磁場、磁場無場合大構造異程度背景磁場、磁場無場合大構造異l衝撃波速度、圧縮比衝撃波速度、圧縮比 MHD 近似同近似同l遷移領域磁場強乱、時間変動激遷移領域磁場強乱、時間変動激l下流磁場乱残下流磁場乱残l下流粒子分布下流粒子分布 Maxwell 分布近分布近l、加速見、加速見背景磁場場合衝撃波（背景磁場平面垂直）背景磁場場合衝撃波（背景磁場平面垂直）l磁場平面内場合大異構造磁場平面内場合大異構造（=110-4、背景磁場無場合近）、背景磁場無場合近）l加速加速的加速優勢加速加速的加速優勢l加速効率加速効率=0.003 付近最良？付近最良？次元高解像度不可欠次元高解像度不可欠背景磁場無場合衝撃波背景磁場場合衝撃波50Numerical Cherenkov Radiation電磁波正分散関係電磁波正分散関係分散関係分散関係（差分法差分法）、）、電磁波位相速度光速比電磁波位相速度光速比小小相対論的粒子速度電磁波相対論的粒子速度電磁波位相速度超位相速度超Numerical Cherenkov RadiationNumerical Cherenkov Radiation電子陽電子Bz空間差分化起因分散性、空間差分化起因分散性、空間差分化起因分散性、空間差分化起因分散性、法法法法使用解決？使用解決？使用解決？使用解決？Numerical Cherenkov Radiation電51法用法用電磁波正分散関係電磁波正分散関係分散関係分散関係(赤点線理論曲線）赤点線理論曲線）電磁波分散関係電磁波分散関係時間差分化起因分散性残時間差分化起因分散性残時間差分化起因分散性残時間差分化起因分散性残短波長波減衰短波長波減衰空間解、波長減衰率変空間解、波長減衰率変事簡単事簡単kc/w wpew w/w wpe理論値理論値D Dt 0 w w/k=c 法用電磁波正分散関係52(Kazimura et al.相対論的粒子速度電磁波位相速度超衝撃波面上流側静電不安定性発生時間差分化起因分散性残系全体分布y 方向状構造見系全体分布衝撃波下流磁場乱？(Hoshino 2001)Particle in Cell SimulationVPP5000 (8 並列)粒子 magnetic solitary wave 内磁気中性面付近、motional 電場加速主、Synchrotron radiation Inverse Compton scattering 説明Bietenholz静止系電場 運動見系電場生下流 Maxwell 分布（次元）Image courtesy of NRAO/AUI and M.（106-107）5107 particles/species流方向電流多数磁場作粒子加速起Numerical Cherenkov 対策結果対策結果BeforeAfterNumerical Cherenkov 影響見影響見計算時間範囲内、計算時間範囲内、Numerical Cerenkov 影響無事影響無事各波長減衰率最適化課題各波長減衰率最適化課題(Kazimura et al.Numerical Cher53
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