相対論的プラズマ

　□相対論的非線形アルフヴェン波のパラメトリック不安定性

宇宙空間には普遍的に磁場が存在します。太陽から放出される太陽風は磁場を運んできますし、地球自身も固有の磁場を持っています。その磁場の振動はアルフヴェン波として宇宙空間を伝播します。

パルサーや活動銀河中心核などの高エネルギー天体周辺では、非常に大振幅の相対論的アルフヴェン波が存在すると考えられています。一般に、波動の振幅が大きくなると、波動−波動相互作用によってさまざまな波長の波が生成されますが、この過程はパラメトリック不安定性と呼ばれます。相対論的アルフヴェン波のパラメトリック不安定性の分散関係は、その難解さのためにこれまできちんと求められていませんでしたが、我々は最近これに成功しました。さらに、計算機シミュレーションにより不安定性の長時間発展を調べた結果、アルフヴェン波の初期エネルギーによってパラメトリック不安定性の種類が変化すること、また、初期エネルギーを大きくすると高エネルギー粒子の生成効率が著しく高まることなどを発見しました。これらの現象には、いずれもプラズマの相対論的効果が重要な役割を果たしており、現在それらを詳しく議論しています。

シミュレーションによって求められた磁場の時間空間発展と代表的な粒子の軌道



上図と同じシミュレーションで得られた電子のエネルギー分布関数の変化



　□相対論的非平衡分布により励起される電磁不安定性

宇宙や天体ではプラズマは粒子の静止質量を十分に越えるエネルギーを持つことが多く、この場合プラズマは相対論的な取り扱いをすることが不可欠です。ビーム分布、リング分布など、多くの種類の非平衡分布が考えられますが、特に最近は、磁力線に垂直方向の自由エネルギー成分を持つ、リング分布の不安定性に着目しています。

宇宙空間において、衝撃波下流域や磁化プラズマ流中で中性粒子がピックアップされる場合など、磁場に垂直方向の自由エネルギーを持つリング分布 が形成される状況は少なくありません。よく知られているように、リング分布はサイクロトロン共鳴によって電磁波を励起しますが、リングのエネルギーが大きくなると、相対論的効果による粒子の質量増加のためにサイクロトロン周波数が減少します。我々は、この効果が本質的な役割を担って励起される新しい波動モード（波数0で最大成長率を持つk=0モード）が存在することを示し、その波動励起メカニズムと非線形発展のモデルを、０次元粒子シミュレーションによる結果と比較しました。また、有限な波数を持ち、非相対論的な場合にも見ら れるリングサイクロトロン不安定性との競合過程などについて、粒子シミュレーションを用いて研究をすすめています。

相対論的プラズマにより電磁波動が励起される様子を、時間（横軸）と空間（縦軸）のグラフ上に示している。図の色は、プラズマ電磁波動の強さを表す。

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