新理論モデルによって明らかになってきた宇宙線電子加速の“はじめの一歩”

衝撃波における宇宙線加速のメカニズムには標準モデルが存在しています。
でも、宇宙線の“種”となる電子の加速がどのように作られ、その量はどれくらいなのかという、宇宙線電子加速の“はじめの一歩”となる部分は分かっていないんですねー
今回の研究では、“地球近傍の衝撃波”のデータを用いた研究により、電子加速の新理論モデルを実証。
このモデルを“超新星残骸衝撃波”に適用することで、宇宙線電子加速の“はじめの一歩”のメカニズムを明らかにしたそうです。


宇宙線電子加速の“はじめの一歩”

地球には、超高エネルギーの荷電粒子（陽子や電子）である宇宙線が絶えず降り注いでいます。

そのうち比較的低エネルギーの成分は“銀河宇宙線”と呼ばれ、天の川銀河内で起こる超新星爆発によって生じる衝撃波“超新星残骸衝撃波”で作られていると考えられています。

NASAのX線天文衛星“チャンドラ”がとらえた超新星“SN 1006”の残骸。

これまで、衝撃波における宇宙線加速のメカニズムとして、“フェルミ加速”と呼ばれる標準モデルが存在していました。
このモデルでは、初期に光の速さと同程度の速度を持った宇宙線の“種”となる電子の加速を、自然に説明できていました。

でも、その“種”が一体どのように作られ、その量はどれくらいなのかという、宇宙線（特にここでは宇宙線の電子成分）加速の“はじめの一歩”となる部分は分かっていませんでした。


“地球近傍の衝撃波”と“超新星残骸衝撃波”

地球の前面（太陽側）には、地球と太陽風がぶつかることで生じる“地球近傍の衝撃波”が、ほぼ定常的に存在しているはずです。
でも、この衝撃波では宇宙線のような光の速さと同程度の速度を持つ電子は観測されていません。

このことが意味しているのは、地球の前面では宇宙線電子加速の“はじめの一歩”が起こっていないこと。
そう、“地球近傍の衝撃波”と宇宙線を加速している“超新星残骸衝撃波”の観測結果が矛盾しているんですねー

そこで、新モデルを東京大学の研究グループが提唱します。
それは、電子加速の新理論として、これまで無視されてきた非常に短い時間スケールの衝撃波の動力学を考慮するものでした。

研究グループでは、この新理論モデルをNASAの磁気圏観測衛星“MMS”の観測データで検証。
すると、新理論モデルは観測データを非常によく説明できることが実証されます。

さらに示されたのは、この新理論モデルを“超新星残骸衝撃波”に適用すると、光の速さ程度にまで電子を加速できることでした。

“地球近傍の衝撃波”は秒速数百キロであるのに対して、“超新星残骸衝撃波”の速度は秒速数千キロと速く、この速度の違いが“はじめの一歩”の有無になっていたようです。

研究グループが提唱した新理論モデルによって、“地球近傍の衝撃波”と“超新星残骸衝撃波”の観測結果を統一的に理解することができました。
このことを世界で初めて観測による裏付けをもって示したこと。それが今回の研究成果になります。

東京大学のグループが行った研究の概念図。磁気圏観測衛星“MMS”で観測された“地球近傍の衝撃波”のデータを解析し、その結果を遠くの“超新星残骸衝撃波”に適用している。

“はじめの一歩”のメカニズムが明らかになったことで、これからは宇宙線の“種”粒子の量、さらに宇宙線の総量を見積もる研究も可能になります。

電子成分だけでなく宇宙線加速の全体像の理解も進むのでしょうね。


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