宇宙空間でイオンが電子より高温になる理由を解明 -プラズマ中の"音波"がイオンを選択的に加熱-
宇宙地球電磁気学分野の川面洋平助教（学際科学フロンティア研究所所属）を中心とした国際研究チームが，宇宙空間でプラズマが乱流によって加熱される際にイオンが電子より高温になるメカニズムを解明しました．
【発表のポイント】
窶｢ ブラックホールの降着円盤や太陽風を構成している高温・希薄なプラズマの乱流を大規模数値シミュレーションで再現．
窶｢ イオンと電子が乱流によってどのように加熱されるか調査．
窶｢ 縦波的なゆらぎが存在するとイオンが選択的に加熱されることを発見．
【概要】
太陽から吹き出る太陽風やブラックホールを取り巻く降着円盤はプラズマで出来ています．宇宙に存在するプラズマは高温・希薄であるため，プラズマを構成するイオンと電子の間の衝突がほとんど起こらない無衝突状態にあります．そのためイオンと電子は直接相互作用をせず，異なった温度を取ることが可能です．実際に，これらの天体現象ではイオンの方が電子より遥かに高温になっていることが分かっていました．しかし，なぜイオンが電子より高温になるのか？この疑問の答えは長年の未解決問題でした．
東北大学学際科学フロンティア研究所の川面洋平助教（大学院理学研究科兼任）を中心とした国際チームは，国立天文台の「アテルイⅡ」をはじめ複数のスーパーコンピュータ用いて無衝突プラズマ乱流のシミュレーションを行い，イオンと電子がどのように乱流によって加熱されるかを調査し，この問題を解決しました．プラズマの乱流中には縦波的ゆらぎと横波的ゆらぎが存在していますが，これまで行われてきた研究では横波的ゆらぎのみが考えられてきました．本研究では，世界で初めて縦波的ゆらぎを含む無衝突乱流を計算し，イオンが縦波的ゆらぎのエネルギーを選択的に吸収することで電子より高温になることを突き止めました．この結果は，2019年に公開されたイベントホライズン望遠鏡によるブラックホールの影の撮像結果を解析する際にも重要となります．
本研究の成果は，2020年12月11日に発行された米国の科学雑誌「Physical Review X」に掲載されました．詳しくは東北大学，理学研究科，学際科学フロンティア研究所，国立天文台，及び国立天文台天文シミュレーションプロジェクトのプレスリリースをご覧ください．
【発表論文】
雑誌名：Physical Review X
タイトル：Ion versus Electron Heating in Compressively Driven Astrophysical Gyrokinetic Turbulence
著者：Yohei Kawazura, Alexander A. Schekochihin, Michael Barnes, Jason M. TenBarge, Yuguang Tong, Kristopher G. Klein, and William Dorland
DOI : 10.1103/PhysRevx.10.041050
URL : https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.041050
