磁場による電子の超加速を地上実験で再現

磁力線がつなぎ替わる現象「磁気リコネクション」によって、電子が大きく加速されることが地上の実験で確認された。かに星雲などで観測されている超高速電子もこの現象で説明できるかもしれない。

【2023年1月20日大阪大学】

超新星残骸のかに星雲では、最先端の科学技術でも人類が再現できないほどの超高速（高エネルギー）まで電子が加速されていることが、宇宙線の観測からわかっている（参照：「かに星雲から観測史上最高エネルギーのガンマ線を検出」）。これほどまでの加速を実現する仕組みについては様々な理論やモデルがあるが、まだ原因は特定されていない。

米・プリンストン大学プラズマ物理研究所のAbraham Chienさんたちの研究チームは、磁力線がつなぎ替わる（リコネクションする）「磁気リコネクション」と呼ばれる現象に着目した実験を行った。つなぎ替わった磁力線はゴムのように周囲のプラズマを弾くことでエネルギーを与えることができるが、それによって電子がどこまで加速できるかは未解明だった。

磁気リコネクションの概念図。磁力線（黒の実線）が、プラズマが磁力線とともに運動する領域（オレンジ色）でつなぎ変わり屈曲した磁力線がうまれる。その磁力線がまっすぐに戻ろうとする際に周囲のプラズマが引きずられて加速が起こる（提供：大阪大学）

2013年に、レーザーを磁場発生装置に当てることでごく短時間ながら強力な磁場を発生させる方法が発表されている。研究チームはこれを磁気リコネクション用に改良して、電子が高エネルギーまで加速される現象を再現することに成功した。これにより、かに星雲のガンマ線フレアを引き起こす電子の加速が、確かに磁気リコネクションによって起こっている可能性が示唆された。

また、磁気リコネクション中のプラズマの温度と密度の同時計測結果と、コンピューターシミュレーションとの比較から、磁気リコネクションによる加速機構の中でも、直接電場加速（Direct electric field acceleration）が最有力であることが示された。

レーザー装置「Titan」と実験の配置図
（左）実験に使用されたレーザー装置の1つ「Titan」、（右）実験の配置図。大阪大学発の磁場発生装置「キャパシターコイルターゲット」の改良版を使って、宇宙で起こっている磁気リコネクション現象を再現した（提供：（左）Jupiter Laser Facility、（右）大阪大学）

今回のように、地球から6400光年も離れたかに星雲で起こっているような電子の加速機構を地上のレーザー装置で再現して詳細に調べることは、人類が到達できないほどの高エネルギーの電子に潜む物理の解明に役立つ強力な武器となる。今後同様の研究によって宇宙における電子の加速機構の理解が進み、さらには革新的な粒子加速器の発明に繋がることも期待される。