宇宙空間衝撃波・宇宙線物理

超新星残骸SN1006
超新星残骸SN1006のX線像(あすか撮影:宇宙研提供)

惑星磁気圏の周りには太陽風が超音速で流れているため、高速プラズマ流が磁気圏を 障害物となって急激に減速され、風上には衝撃波が作られます。超音速で飛行する飛 行機などの周りに出来る衝撃波と同様のメカニズムです。しかし宇宙空間では密度が 10個/cc程度の非常に希薄なガスなので、飛行の周りの衝撃波とは違って粒子間同士の 衝突がない無衝突衝撃波です。粒子間の運動量・エネルギーの交換は、プラズマ中の 様々な電磁波動を介して行われます。無衝突衝撃波でも、飛行機の周りの衝撃波と同 様に風下ではプラズマが圧縮され温度が上がりますが、非常に興味深い点は相対論的 速度をもつ高エネルギー粒子も同時に形成されることです。宇宙からは宇宙線と呼ば れる高エネルギー粒子やX線やガンマ線で観測される高エネルギー光子などは、多かれ 少なかれ宇宙での衝撃波加速によるものであると考えられています。例えば、銀河系 では超新星爆発によって作られた衝撃波で、およそ10^19Kに達する粒子が作られ ていると考えられていますが、どのようにしてそのような相対論的エネルギーを持つ 粒子を作るかは未だ謎に包まれています。

電子静電孤立波の粒子シミュレーション結果
衝撃波の粒子シミュレーションで得られた 電子静電孤立波の波形とWIND衛星(NASA)による観測例。 両者は互いによい一致をしめしている。
衝撃波で加速された電子の分布関数
GEOTAILで観測された惑星間空間衝撃波で加速された電子の分布関数。 高エネルギー電子が効率よく生成されてべき乗関数になっているのが見られる。
ムービー