[論文レビュー] 3D modeling of collisionless shocks

Troels Haugboelle|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2010

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 28被引用数 26

ひとこと要約

本研究は、相対論的で磁場のないイオン-電子衝撃の完全な三次元粒子-場法シミュレーションを初めて実施し、3次元の力学的挙動が平行電場を強化し、磁気エネルギーを低減し、非熱的粒子スペクトルを浅くする（べき乗則指数 ~2.2）ことを示した。2次元モデルと比較して、相対論的衝撃断面条件への収束が確認され、追加の自由度によって顕著な定性的・定量的差が生じることが明らかになった。

ABSTRACT

Two dimensional modeling of collisionless shocks has been of tremendous importance in understanding the physics of the non-linear evolution, momentum transfer and particle acceleration, but current computer capacities have now reached a point where three dimensional modeling is becoming feasible. We present the first three dimensional model of a fully developed and relaxed relativistic ion-electron shock, and analyze and compare it to similar 2D models. Quantitative and qualitative differences are found with respect to the two-dimensional models. The shock jump conditions are of course different, because of the extra degree of freedom, but in addition it is found that strong parallel electric fields develop at the shock interface, the level of magnetic field energy is lower, and the non-thermal particle distribution is shallower with a powerlaw index of ~2.2.

研究の動機と目的

• 完全に発達した相対論的衝撃の長期的進化と緩和を3次元的に調査すること。
• 2次元モデルと比較して、次元性に起因する衝撃構造と粒子加速の違いを特定すること。
• 3次元シミュレーションが正しい相対論的断面条件に収束し、その後退屈領域が熱的に平衡状態に達することを検証すること。
• 3次元におけるWeibelに類似た繊維状不安定性の役割を検討し、電磁場生成と粒子エネルギー増加への影響を評価すること。
• 3次元幾何学的構造が天体的衝撃における粒子加速と放射放出に与える影響を評価すること。

提案手法

• 高分解能を得るため、6次精度の場計算と立方体粒子補間を用いた大規模並列3次元粒子-場法コード（Photon-Plasma）を採用した。
• 移動インジェクタと移動ウィンドウ技術を用いて、大きな計算領域内で衝撃を発生させ、衝撃を中央に維持した。
• 出射粒子用にオープン境界、流入側に吸収型場境界を設定し、上部境界には完全反射壁を設けた。
• 自己自己一貫した集団不安定性が発生可能な、相対論的で磁場のない電子-イオンプラズマをシミュレートした。バッチローレンツ因子は2.1とした。
• 2250個のプラズマ周期（ωpe t = 2250）にわたり衝撃の進化を追跡し、後退屈領域の完全な熱化と緩和を確認した。
• 2次元シミュレーションおよび相対論的ガス力学の解析的断面条件（3次元ではγ_ad = 4/3）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元相対論的イオン-電子衝撃における断面条件は、2次元モデルとどのように異なるか？
• RQ2 3次元的力学的挙動が、衝撃の上流における電流繊維の形成と安定性に果たす役割は何か？
• RQ3 3次元において、衝撃界面での平行電場（E_∥B）はどのように発生し、粒子加速にどのような影響を与えるか？
• RQ4 2次元と比較して、3次元シミュレーションにおける衝撃界面近傍の磁気エネルギー密度はどのように異なるか？
• RQ5 3次元相対論的衝撃における非熱的粒子分布のスペクトル指数は何か？2次元モデルと比較するとどうなるか？

主な発見

• 3次元衝撃は、相対論的断面条件に収束し、後退屈領域と上流領域の密度比が n_d/n_u = 4.62 となった。これは3次元相対論的ガスの理論的期待値4.2に近く、良好な一致を示した。
• 3次元シミュレーションにおける衝撃速度は v_sh = 0.27c であり、理論的予測値0.31cとよく一致しており、十分な緩和後は良好な一致が得られた。
• 3次元では衝撃界面に強い平行電場（E_∥B）が発生し、2次元モデルでは完全に捉えきれない、新たな効果的な粒子加速メカニズムを提供した。
• 3次元では、2次元と比較して衝撃界面近傍の磁気エネルギー密度が低く抑えられており、電場エネルギーと粒子加速へのエネルギー分配がより効率的であると考えられる。
• 非熱的粒子集団が後退屈領域に出現し、べき乗則スペクトルを示した。そのスペクトル指数は3次元で~2.2であり、2次元モデルの~2.5と比較して浅くなった。理論的予測と整合的であった。
• 後退屈領域の完全な熱化と平衡状態に達するには、ω_pe t = 2000（または ω_pi t = 500）が必要であったが、断面条件は既に ω_pe t = 1000 で確立されていた。