青山学院大学 山崎了教授・田中周太助教（理工学部 物理科学科　理論宇宙物理学研究室） 、九州大学　松清修一准教授・森田太智助教・諌山翔伍助教、大阪大学 坂和洋一准教授・蔵満康浩教授・佐野孝好助教、富山大学 竹崎太智助教、北海道大学 富田健太郎准教授、名古屋大学 梅田隆行准教授、東京大学 大平豊助教・星野真弘教授、東北大学 大西直文教授らの研究グループは、大型レーザーを用いて実験室に宇宙プラズマ衝撃波を生成し、宇宙線の生成メカニズム解明に向け新たな研究手段を確立しました。

宇宙空間を満たしているプラズマはさまざまな星や天体現象によって生成される超音速の流体です。宇宙プラズマ衝撃波は天体現象の膨大なエネルギーを変換するエネルギー変換器の役割を担うと考えられています。しかし、エネルギー変換のメカニズムは複雑で未解明です。これまでは、人工衛星による観測が宇宙プラズマ衝撃波の唯一の直接的な実証研究手段でした。

今回、本研究グループは、大阪大学レーザー科学研究所の大型レーザー「激光XII号レーザー」を用いて、宇宙プラズマ衝撃波を実験室に生成し、衝撃波の構造解明に取り組みました。実験では条件を制御でき、再現性も担保されます。これらは衛星観測にはない利点で、研究ツールとして実験が加わることで、この分野の研究が大きく進展する可能性があります。

宇宙線と呼ばれる極めてエネルギーの高い荷電粒子は、超新星残骸などに存在する宇宙プラズマ衝撃波で作られると考えられています。宇宙線は、人工衛星の故障や宇宙飛行士の被ばくの原因になることが知られているだけでなく、惑星の長期的な気候変動や生命進化にも影響を与える可能性が指摘されています。宇宙線が発見されたのはいまから1世紀以上も前ですが、これがどのようなメカニズムで作られるのかを矛盾なく説明する理論は未だに確立されていません。宇宙プラズマ衝撃波のエネルギー変換過程の理解が進めば、宇宙線生成の謎の解明に向けて大きく前進すると期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Physical Review E」に２本の論文として、公開されました。また、今回の大型装置を使った実験には、⻘山学院大学、九州大学、大阪大学、富山大学、北海道大学から多くの大学院生・学部生も参加し、実験データの取得やデータ解析、物理的解釈の議論、さらに実験前には実験装置のデザイン（磁場発生コイルの形状の設計や計測装置の配置の決定など）も担当し、下記の論文にも共著者として名を連ねています。

【詳細】

Physical Review E (2022年8月26日掲載)

• 論文タイトル： High-power laser experiment on developing supercritical shock propagating in homogeneously magnetized plasma of ambient gas origin
• DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevE.106.025205

Physical Review E (2022年2月11日掲載)

• 論文タイトル： High-power laser experiment forming a supercritical collisionless shock in a magnetized uniform plasma at rest
• DOI： https://doi.org/10.1103/PhysRevE.105.025203