阪大,高出力レーザーで磁場の変換機構を解明

大阪大学は,高出力レーザーGekko XIIを用いて,電子が駆動する磁気リコネクションを実験的に世界で初めて明らかにした(ニュースリリース)。

磁気リコネクションは,磁場のエネルギーがプラズマのエネルギーに変換される普遍的な機構で,宇宙空間において太陽フレアや磁気圏サブストームなど様々な現象で磁場からプラズマへのエネルギーの変換器として働くもの。

これまで,宇宙の研究では,遠方の現象であれば望遠鏡などを用いたマクロな全体の撮像(イメージング)や,地球の近くであれば人工衛星による「その場」でのミクロなプラズマの計測が行なわれてきた。それぞれミクロとマクロの情報が同時に得られないというジレンマを抱えていた。

今回研究グループは,宇宙の主要な要素の一つである磁気リコネクションについて,大型レーザー「Gekko XII」(GXII)を用いた実験を行なった。磁気リコネクションでは,反平行磁場が再結合するそのトリガー機構において,電子の運動が本質的であることが知られていた。しかし,電子スケールの非常に小さくミクロな情報を,広大な宇宙空間の観測で明らかにすることは困難だった。

研究グループは,GXIIレーザーを固体ターゲットに照射しプラズマを生成し,弱い外部磁場を印加することにより,プラズマ中の電子のみが磁場と結合する状態を作り出した。磁場を印加した場合のみプラズマが集束されることを干渉計測を用いて撮像した。これは,プラズマが磁力線を押し曲げながら伝播していることを表しており,引き伸ばされた磁力線の反平行成分が磁気リコネクションを起こしうることを示しているという。

さらに,雰囲気のプラズマを加え外圧を増すことにより電子運動が駆動する磁気リコネクションを実現し,特徴的なカスプ構造とプラズモイド(プラズマがちぎれてできるプラズマの塊)の撮像に成功した。また,このプラズモイドの速度から,電子運動が駆動する磁気リコネクションで生成されるアウトフローの速度が電子質量で定義したアルフヴェン速度と同程度になることを実験的に明らかにした。

研究グループはこの研究により,ミクロの物理がマクロな現象を支配するプラズマの普遍的な性質の解明が進展し,将来的には核融合研究等への貢献が期待されるとしている。

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