準垂直衝撃波における　　電子加速の観測的研究

岡　光夫 1 、寺沢敏夫 2 、GEOTAIL チーム

1. 京大花山天文台2. 東大・地惑

衝撃波における電子加速

電子加速が期待される衝撃波：

・地球バウショック

・惑星間空間衝撃波

・太陽フレアに伴う衝撃波

・太陽圏終端衝撃波

・超新星残骸における衝撃波

などGosling et al., 1989

ISEE 観測

本研究の目的

• いつ、どこで、どのように、電子が加速　　されるのか？

• 観測的研究：　熱的成分の振る舞いで　　　 　　　　「精一杯」だった

• 数値計算研究：リソースの制限が今もある

• そこで Geotail の高感度粒子計測器 LEPを用いることで電子加速の実態と本質を　　明らかにする

統計解析

• 78 ‘clean’ quasi-perp shock crossings

• From Jan 1995 – July 1997

ホイッスラー臨界マッハ数

Kennel, 1985;

Krasnoselskikh et al., 2002

V1

Vphase

ホイッスラー周波数帯をバンドパスフィルター

　磁場擾乱の強度

エネルギースペクトル

• f(E) E∝ exp• LEP12sec• 遷移層でもっとも

フラックスが高い ところでスペクトルを取る

• 非熱的成分のみをフィッティング

ベキ指数 Γ

考察

• 超臨界の場合と亜臨界の場合で加速機

構が違うかもしれない

• 亜臨界の場合：衝撃波統計加速？

• 超臨界の場合：より効率のよい機構？

→　イベント解析

亜臨界の例

• 1995 年 2 月 11 日

• ４つのチェックポイント– 上流に粒子はあるか

– それらは散乱されているか

– 散乱可能な波はあるか

– ベキ型のスペクトルか

Point 1

Upstream Particles ?

MA~6.8,

Bn~68°

February 11, 1995

Pitch Angle Scattering ?Point 2

Sunward(away fromthe shock front )

Anti-Sunward(toward the shock front)

Whistler waves capableof Scattering ?

• Nearly Parallel Propagation (kB~20-40dgr)

• Propagating away from the shock front

• Resonance condition satisfied

Point 3

Power-law Energy Spectrumf (E) E ∝ -

obs

=4.3±0.1

much softer than what waspredicted by DSA

N1=21/cc, N

2=52/cc

compression ratio r = 2.51

standard = 2.5

But it was shown to beexplained by the DSA withfree-escape boundarycondition.

Point 4

モデルとの不一致については後述

超臨界の例

• 1996 年 7 月 1 日• MA~14, Bn~86 dgr

• 加速機構の候補– ドリフト加速– リップル加速– １次の統計加速– ２次の統計加速– サーフィン加速

超臨界の例

• 1996 年 7 月 1 日• MA~14, Bn~86 dgr

• 加速機構の候補– ドリフト加速– リップル加速– １次の統計加速– ２次の統計加速– サーフィン加速

まとめ

• ホイッスラー臨界マッハ数の存在を　　　　観測的に確認した。

• それによって電子のふるまいが大きく　　変わることが分かった。

• 亜臨界のイベントの１つはＤＳＡで説明　　できた。

• 超臨界のイベントの１つはサーフィン加速ならば矛盾がない。

補足

f (E) ∝ E

obs=4.3±0.1

N1=21/cc, N2=52/cc

compression ratio r = 2.51

standard = 2.5

Not consistentTo each other

観測されたベキ指数について

標準モデル

• 無限の領域で擾乱を積分• 粒子は必ずどこかで散乱される• 散乱過程をより現実的になるよう、　

　　　再評価するべきSHOCK

- ∞ + ∞

散乱強度の再評価 → 拡散係数

粒子データによる評価

磁場データによる評価

( 一様な拡散係数を仮定 )

( 非一様な拡散係数を仮定 )

粒子データ 磁場データ

拡散係数の測定

Rough estimate: ~ 100-1000

粒子データ 磁場データ

FEB モデル (free escape boudary)

• 有限の領域で擾乱を積分• 「加速領域」の外側では散乱されない

SHOCK

x=L1

x=L2

FEB モデル , 1 FEB,1 を観測された

　パラメータとフリーパラメータ L1

により算出 パラメータ (

Bn

の観測的不定性が 大きいが、

観測された L1 では

FEB,1 が小さくなって しまう。

Estimated V

shock=250km/s

Duration > 60 sec

observedL

1

L1

FEB モデル , 2

FEB,2 is をショック面

での異方性から算出 観測された異方性では

FEB,2 はやはり小さく

なってしまう。

非一様な拡散係数を用いたFEB モデル（ NUD ）

• 指数関数的なプロファイルを持つ拡散係数を導入する

• ショック面から遠ざかるほど拡散は弱くなる

SHOCK

- ∞ + ∞

非一様な拡散係数を用いたFEB モデル（ NUD ）

• 観測された には大きな不定性があるので決定的ではないが x

• 少なくとも DSA の範疇において矛盾なし

まとめ

• 11 February 1995 の電子加速イベントは、

• 観測データの不定性が大きいものの、

• 空間的に非一様な拡散係数を用いれば、

• DSA による説明に矛盾がないことが分

かった。