部分電離プラズマ中の無衝突衝撃波のシミュレーション大平　豊 (青山学院大学) 内容超新星残骸の周りの水素原子電離過程を取り入れたプラズマ粒子ハイブリッドシミュレーションまとめ Ref: Y. Ohira, PRL (2013), Y. Ohira, ApJ (2012) 超新星残骸の周りの水素原子超新星残骸周りのガスの電離度は ~ 0.5 SN1006 Hα Ghavamian et al. ApJ 2000, 2002 超新星残骸は、銀河宇宙線の起源タイプ Ia 型 or II型? ISMの中 or スーパーバブルの中? 宇宙線のエネルギースペクトル標準的な衝撃波加速理論はdN/dE∝E-2 銀河宇宙線や超新星残骸の観測は dN/dE∝E-2.1-E-2.4 加速機構への注入問題銀河宇宙線の観測からは、ECR~0.1ESN どのようにして加速過程に入るかは謎 Winkler et al. ApJ 2003 X ray 無衝突衝撃波の構造衝撃波の速度構造や磁場構造は謎 Cassam-Chenai et al. ApJ 2008 ハイブリッドシミュレーションイオン , 電子マクスウェル方程式 à , ui と ni は粒子の xi と vi から求める. 水素原子の電離過程 (H, p, e-) Charge exchange with proton Collisional ionization with proton Collisional ionization with electron Collisional ionization with hydrogen atom Barnett (1990) Janev & Smith (1993) CE with p CI with p CI with eCI with H v [ cm3 / s ] 10-7 H + p  p + H H + p  p + e- + p H + e-  p + e- + e- H + H  p + e- + H ν ce ≈ 10 Ωcp 5 ! $ σv ×# & 7 3 " 10 cm / s % 10-8 7 10 ! n $! B $ ×# & −3 & # " 1cm %" 3µG % 108 109 vrel [ cm / s ] 1010 1 シミュレーションパラメター Lx x Ly = 20000 c/ωpp x 400 c/ωpp Δx = Δy = 0.5 c/ωpp , Δt = 0.0125 Ωcp-1 ~ 10-4 ν-1 16個の水素原子と 16個の陽子 / １セル βp = βH = 0.5, np = nH , Te- = 0 , B0 // ey Vd = 10 VA = 2000km/s ２次元のシミュレーション平面 y Vd = 10 VA = 2000km/s プラズマ + 水素原子 + 磁場 x By 壁位相空間図下流の高温水素原子が上流へしみ出す。上流で電離してピックアップイオンになる。 Lsh~ Vd / Ωcp ~ MA c/ωpp t = 2000Ωcp-1 100 vx [vA] 50 Proton 0 -50 Pickup ions -100 Lpre~ Vd / νi ~ (Ωcp/νi) MA c/ωpp 100 50 vx [vA] 6 5 4 Vsh ~ 13.6VA ~ 2700 km/s 3 2 in the upstream frame 1 0 6 5 4 3 2 1 0 Hydrogen 0 -50 Leaking hydrogen atoms -100 3000 6000 9000 12000 x [c / pp] 15000 nleak/nH ~ 0.07 at the shock front uleak /Vsh ~ 0.23 in the shock rest frame (nu)leak/(nu)up ~ 0.016 in the shock rest frame 水素原子の速度分布 vx [vA] 50 6 5 4 3 2 1 0 p 0 -50 -100 100 vx [vA] 50 6 5 4 3 2 1 0 H 0 -50 -100 3000 6000 9000 12000 x [c / pp] 下流静止系 1 dN/dv [ arbitrary units ] 100 0.8 vy vx vz 0.6 0.4 0.2 15000 幅の狭い成分と広い成分が存在観測されているHα 輝線の構造を再現 0 -4000 -2000 0 v [ km / s ] 2000 4000 Ghavamian et al. (2002) 衝撃波構造 1 up / up,0 0.8 0.6 ρp / (ρH + ρp ) 0.4 0.2 0.1 x ρp / ρp,0 0 11000 12000 up / up,0 0.1 x p / p,0 fi 13000 x [ c / pp ] 14000 15000 rtot = 3.77  2D effects or adiabatic index ≠ 5/3? rsub = 3.47 < rtot Lpre ~ 1015-16 cm n1/cc-1 Ldiff,Bohm ~ 1015 cm ush,3000km/s-1 B100µG-1 ETeV この速度場中で衝撃波加速が起きると、E-2よりソフトなスペクトルになるエネルギースペクトル 108 陽子 107 10% of Etot 106 E dN/dE 105 10 水素原子 4 103 102 101 衝撃波下流中 100 0.1 1 10 E [ 0.5 m vd2 ] 100 加速された粒子の軌跡 1 1800 0.8 1600 0.6 1400 0.4 1200 0.2 1000 0 time [ cp -1 ] 2000 0 40 80 12000 E [ 0.5 m vd2] 14000 x [ c / pp ] 16000 下流からしみ出した水素原子は、上流でのピックアップと、二回目の衝撃波加熱により、初期の１０倍にまで加速される。水素原子は、衝撃波加速の注入に重要！ y [ c /ωpp ] y [ c /ωpp ] 磁場と密度　（下流領域） |B|/B0 |B| と ρp は反相関  Slow mode δB / Bd0 > 1 Mirror instability  P⊥/Pǁ‖ > 1. ρp/ρp,0 Rudakov & Sagdeev (1961) Hasegawa (1969) Raymond et al.(2008) 上流の水素原子は、衝撃波で散逸せずに下流へ入ってくる。下流で電離し、磁場の周りを周りだす　 P⊥/Pǁ‖ > 1. x [ c /ωpp ] y [ c /ωpp ] y [ c /ωpp ] 磁場と密度　（上流領域） |B|/B0 |B| と ρp は相関  Fast mode δB / B0 ~ 0.5 ρp/ρp,0 (Drury & Falle, 1986 Chalov 1988) Drury instability? 拡散する粒子が必要。でも、Pickup ionは磁化している。 P⊥/Pǁ‖ > 1 は、 slow mode と Alfven mode を励起する。新しい不安定性？ x [ c /ωpp ] 音波不安定性の物理機構電離による Pickup ions の注入がある場合安定な音波 δρ δρ 水素原子は高密度領域で、より電離される。 δρPUI Δt + Δt (δpPUI/δρPUI >> δp/δρ)  安定 TPUI >> Tup 不安定! まとめ SNRの周りの星間ガスは必ずしも完全電離状態ではない。部分電離プラズマ中を伝搬する無衝突垂直衝撃のハイブリッドシミュレーションを世界で初めて行った。下流の高温水素原子が衝撃波上流へしみ出す。上流へしみ出した水素原子は、上流で電離してPickup ionになる。 Pickup ionは、衝撃波構造を変える。 Pickup ion は上流でfast mode, 下流でslow modeを励起する。しみ出した水素原子は加速される。電離度は、衝撃波加速過程への注入, 加速粒子のベキ指数, 磁場を決める重要なパラメター  Type Ia がどれだけ宇宙線に寄与するか? ハイブリッドコード内での電離 (1) 水素についての電離の計算(H1について) ①同じセルにいる粒子を特定する H2, p1, p2, e-1, e-2 H1 p 1 p2 H2 電子は、陽子と同じ数とする ②H1との相対速度を計算する電子速度は、陽子の平均速度とする ve- = <vp>  Te = 0を仮定 |vH1 - vH2|, |vH1 - vp1|, |vH1 - vp2|, vrel,H1e- = |vH1 - <vp>| ③散乱断面積 σCE, σCI,p, σCI,H and σCIe-から、反応確率を求める PCI,H1H2, PCI,H1p1, PCE,H1p1, … , PCI,H1e- ④乱数により、どの粒子と、どの反応でH1水素が電離するか、または電離しないかを決めるハイブリッドコード内での電離 (2) 電荷交換反応反応した陽子は、水素原子になる。水素原子の運動自由運動とする。電子温度 Te = 0とする。 H1 p 1 p2 H2 Sedov phase に入った頃の若いSNRの場合 (SN1006,Tychoなど) %" n %" B % ν ce σv 5" ≈ 10 $ '$ ' 7 3 −3 ' $ # 10 cm / s &# 1cm &# 3µG & Ωcp 1 計算機コストを抑えるため、人工的に全ての散乱断面積を 103倍 ν ce ≈ 10 Ωcp 2 ν << Ωcp の関係は維持