阪大ら,レーザーで宇宙のエネルギー変換を再現

大阪大学と核融合科学研究所は,大阪大学レーザー科学研究所の大型レーザー激光XII号を用いて,レーザー生成プラズマ中で電子が駆動する磁気リコネクションを実験的に再現し,局所計測よりイオン運動を伴わない電子のみのアウトフローを初めて計測した(ニュースリリース)。

磁気リコネクションは,磁場のエネルギーをプラズマのフロー(流れ)のエネルギーに変換する過程で,宇宙において太陽フレアや磁気圏サブストーム,また,地上でも核融合プラズマのディスラプションといった爆発的な現象を引き起こすと考えられている。

その引き金となるのが,ミクロな電子の運動だと考えられており,これまで研究グループは,マクロなイメージングにより電子運動が駆動する磁気リコネクションを実験室で明らかにしてきた。しかし,マクロなイメージングからは,プラズマ中の電子・イオンの運動を切り分けることができず,実際の電子運動の直接的な計測は行なわれていなかった。

研究では,小さな空間スケールで,プラズマ中に光を入射し,散乱した光の波長スペクトルを取得する協同トムソン散乱(CTS)を用いて,局所的な電子・イオンの速度を計測した。その結果,磁気リコネクションによってイオンの運動が変化しない,電子だけのアウトフローが形成されることを明らかにした。

また,磁気誘導プローブを用いた局所磁場計測の結果,磁気リコネクションによってできるプラズマのマクロな構造であるプラズモイドに伴う磁場の反転を検出した。さらに,磁気誘導プローブのデータを周波数解析することで,電子アウトフローに伴い,磁化された電子運動に特徴的なプラズマ波動であるホイッスラー波を初めて計測した。

この成果により,これまで宇宙空間での観測が難しかった,磁気リコネクションの「その場」でのミクロスケール計測と,イメージング等のマクロスケールの同時計測が可能となった。電子はイオンに比べ非常に軽く,またその時間的空間的な挙動はイオンのそれに比べ圧倒的に小さいため,プラズマの全体像を見ようとすると,電子スケールの現象を分解することは極めて困難だった。

研究グループは,大型レーザーを使った実験的な研究が,宇宙の様々な未解決の問題に貢献できるとする。電子の役割はプラズマの普遍的な性質であり,将来的には磁場を使ったロケット推進や核融合研究等の進展と理解にも寄与するとしている。

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