大阪大学レーザー科学研究所の藤岡慎介教授、東京大学大学院理学系研究科King Fai Farley Law 特任研究員(当時博士後期課程3年)、安部勇輝特任研究員、及び大阪大学大学院理学研究科と工学研究科所属の大学院生、早稲田大学、核融合科学研究所、露国モスクワ工学物理工学研究所国立原子力大学、露国レベデフ物理学研究所、仏国ボルドー大学、独国ドレスデン工科大学、米国カルフォルニア大学サンディエゴ校所属の研究者らで構成された国際共同研究チームは、パワーレーザーを使って超強磁場を作り、相対論的磁気リコネクションという前人未踏のプラズマ現象を実験室内で起こすことに成功しました。相対論的磁気リコネクションの結果、電子と陽子が高エネルギー化していることを観測し、一例として相対論的磁気リコネクションが、ブラックホールの周囲からの突発的に高エネルギーX線が放射される現象に関与している可能性を示唆しました。

世界最高レベルの性能を有するLFEXレーザー （図1） とマイクロコイルを使って、ネオジム磁石の2000倍に相当する2キロテスラ以上の超強磁場を生成する技術を活用し、本成果が得られました。これまで数値シミュレーションが相対論的磁気リコネクションを研究する唯一の手段でしたが、レーザーを使うことで天文学のモデルを高度に検証できることを示しました。この成果は天文学に留まらず、全く新しいレーザー加速器の発明への波及も期待できます。

本研究成果は、米国物理学会(American Physical Society)が刊行する物理学専門誌「フィジカル・レビューE誌(Physical Review E)」にて近日中に掲載されます。

図1　大阪大学レーザー科学研究所にあるペタワットレーザーLFEX。2ペタワットと世界最大級のパワーを誇る。

パワーレーザーを用いると、高温・高密度のプラズマ を比較的容易に作りだすことが可能です。このプラズマの温度、密度、圧力、速度等を持つプラズマは宇宙にも存在しています。両プラズマの類似性から着想を得て、宇宙でのプラズマ現象やプラズマ特性をパワーレーザーで実験室から調べるレーザー宇宙物理学 が提唱され、現在ではレーザープラズマ科学の一分野として確固たる地位を確立するほどに発展しました。本研究で対象とした、相対論的磁気リコネクションは、地球から遙か遠くで起こっている現象であるため直接観測は不可能で、数値シミュレーションが唯一の研究手段でした。我々は、パワーレーザーを用いた超強磁場発生法を用いて、相対論的磁気リコネクションを実験室内で起こすことに成功しました。

磁場をわかりやすく表現する方法として、たとえば磁石の周りをたくさんの方位磁石を置いて、それぞれの指す方向を線で結ぶ「磁力線」として、磁場を考えることができます。磁力線は磁束の保存則により途中で切れることはありませんが、プラズマ中では別の磁力線とくっ付いてから切れる、つまり繋ぎ変わることがあります。これが磁気リコネクションと呼ばれる現象です。磁気リコネクションは磁場の形を変えるだけでなく、その過程で磁場のエネルギーの一部がプラズマの熱や運動エネルギーに変換されます。この現象によって、太陽コロナ(太陽表面にある希薄で高温なプラズマ)の加熱や太陽表面からのプラズマの吹き出しである"フレア"が引き起こされることも知られています。太陽表面での磁気リコネクションは古典的磁気リコネクションに分類され、磁場が強くなるにしたがい、磁気リコネクションにおいて相対論効果が重要になってきます。これを相対論的磁気リコネクションと呼びます。相対論とは物質が光速に近い速度で動くと重要になる物理体系で、アインシュタインの重要な業績の一つです。

相対論的磁気リコネクションは、ブラックホール周囲からの高エネルギーのX線が突発的に放射される現象との関連が示唆されています。降着円盤のコロナプラズマ中で相対論的磁気リコネクションが起こり、それに伴って電子が超高温に加熱されることが高エネルギーのX線の源であるとするモデルが提唱されています。

相対論的磁気リコネクションを起こすためには、非常に強い磁場が必要です。制御された形で地上にて強い磁場を作り出す方法は限られており、相対論的磁気リコネクションを地上で再現した例は、これまで報告されていませんでした。大阪大学レーザー科学研究所では、パワーレーザーを用いてキロテスラを越える磁場の発生に取り組んでおり、今回、世界最大級のパワーを誇るLFEXレーザーとマイクロコイル （図2） を使うことで、2キロテスラを越える磁場の生成に成功し、この強磁場を使い地上で初めて相対論的磁気リコネクションを起こすことに成功しました （図3） 。また、相対論的磁気リコネクションに伴って、プラズマを構成する電子と陽子が高温に加熱されることも観測され、ブラックホール周囲からの高エネルギーX線の突発的放射の謎の解明へと貢献することができました。

図2　マイクロコイルをLFEXレーザーで照射し、マイクロコイル内部の磁気リコネクションで加速された粒子束を、様々な計測手法でエネルギー分布や空間分布を計測しました。実験結果の一つとして、マイクロコイルの両側から、空間分布が対称になっている陽子が見られます。

図3　マイクロコイルを照射した後、内部で生成されたそれぞれ違う向きの磁場(左)の分布と、磁気リコネクションが見られた平面で描かれた磁力線(右)を示しています。磁気リコネクションの最中(上)とその後(下)では、磁力線の形が大きく変わり、粒子のエネルギーに変換された磁場のエネルギーが大きく減少し、磁場の強さも低くなっています。実験での最大時では、2100テスラの磁場が実測されました。

宇宙には地上では起こせないような激烈な現象があまた起こっており、物理法則の正確さが試される天然の極限実験室です。しかしながら、これらの現象の多くは地球から遙かに離れた場所で起こっており、その現象を間近で直接観測することは不可能でした。パワーレーザーを用いた宇宙物理実験は、今まで遠くから眺めるしかなかった宇宙現象を、目の前で作り出すという夢と希望に溢れた研究です。また、相対論的磁気リコネクションは、新しいレーザー粒子加速機構としての応用も期待されます。

タイトル:"Relativistic magnetic reconnection in laser laboratory for testing an emission mechanism of hard-state black hole system"
(日本語訳「レーザー実験室内での相対論的リコネクションを用いたハードステートブラックホールからの放射機構の検証」)
著者名:LAW King Fai Farley ^{1%、 2} 、 安部勇輝 ¹ 、MORACE Alessio ¹ 、 有川安信 ¹ 、 坂田匠平 ^{1#、 3} 、 李昇 浩 ^1# 、松尾一輝 ^1#、4 、 森田大樹 ^1# 、 落合悠悟 ^1* 、LIU Chang ^1% 、 余語覚文 ¹ 、岡本和輝 ^1$ 、 GOLOVIN Daniel ^1! 、 EHRET Michael ^5、6 、 尾崎哲 ⁷ 、 中井光男 ¹ 、千德靖彦 ¹ 、 SANTOS Jorge Joao ⁶ 、 d’HUMIERES Emanuel ⁶ 、 KORNEEV Philipp ^8、9 、 藤岡慎介 ¹
所属:
1 大阪大学レーザー科学研究所、日本
%当時 大阪大学 大学院理学研究科 国際物理特別コース 博士後期課程
#当時 大阪大学 大学院理学研究科 物理学専攻 博士後期課程
*当時 大阪大学 大学院理学研究科 物理学専攻 博士前期課程
$当時 大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報通信工学専攻 博士前期課程
!当時 大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報通信工学専攻 博士後期課程
2 東京大学大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻、日本
3 早稲田大学 理工学術院
4 カルフォルニア大学サンディエゴ校 エネルギー研究センター、米国
5 ドレスデン工科大学、独国
6 ボルドー大学 高強度レーザー 応用研究センター、フランス
7 自然科学研究開発機構 核融合科学研究所、日本
8 モスクワ工学物理学研究所、国立原子力大学、露国
9 レベデフ物理学研究所、露国

本研究は、大阪大学レーザー科学研究所の共同利用・共同研究事業、自然科学研究機構核融合科学研究所との双方向型共同研究及びレーザー連携、及び大阪大学レーザー科学研究所の共同利用・共同研究拠点事業の下で実施されました。本研究の一部は、科学研究費補助金(15KK0163、15K21767、16K13918、16H02245)、及び日本学術振興会特別研究員制度(18J11119、18J11354))、松尾学術振興財団他の支援にて実施されました。

King Fai Farley Law 特任研究員

レーザープラズマの多くの物理パラメーターは天体プラズマの物理パラメーターと非常に良く似ています。引き続き、様々なプラズマ現象を実験室内で再現できるよう、研究を進めていきます。