地球から遠く離れたいわゆる高エネルギー天体周辺では、プラズマは非常に高いエネルギーを持つので、そこで見られる種々の現象を理解するためには、相対性理論の効果を考慮することが不可欠です。莫大な自由エネルギーを持つプラズマが相対論的効果によって大振幅波動を励起する現象や、励起された相対論的大振幅波動が長時間発展していく中で効率的に粒子を加速していく様子などを、理論、モデリング、計算機シミュレーションを駆使して研究しています。

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や周波数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。

不安定性に伴う磁場の時間空間発展と代表的な粒子の軌道

シンクロトロンメーザー不安定性

極端な高輝度放射を伴う天体（パルサーやFast Radio Burstなど）では、相対論的プラズマの集団運動によりコヒーレントな電磁放射が起こると考えられています。その具体的物理過程としてシンクロトロンメーザー不安定性が注目されています。プラズマの粒子が磁力線に垂直な方向に相対論的な自由エネルギーを持つようになると、電磁波を励起しながら粒子の磁力線周りのサイクロトロン運動の位相がそろう現象で、高輝度の電磁放射に加えて高エネルギー粒子の生成にも寄与すると考えられています。不安定性の長時間発展の詳細を数値シミュレーションによって調べています。 磁場の時間空間発展（左）と周波数-波数スペクトル（右）