Electron acceleration in high Mach number collisionless quasi-perpendicular shocks isinvestigated in detail, using both theoretical and numerical approaches. It has beenlong known that nonthermal electrons are produced at collisionless shock waves in theheliosphere as well as in many other astrophysical environments. However, the detailedmechanisms accelerating these electrons remain yet to be answered.

Based on an existing particle acceleration theory called electron shock surfing acceleration,we show that the process indeed plays a key role in the injection of electrons intodiffusive Fermi acceleration in high Mach number shocks. By performing one-dimensionalparticle-in-cell simulations of quasi-perpendicular shocks, it is demonstrated that the injectionof electrons is achieved by the shock surfing followed by shock drift acceleration atshocks with Mach number typical of supernova remnant shocks. The simulation resultsare used to construct a theoretical model of the electron injection that can predict theinjection efficiency. The model enables us to estimate the injection efficiency analyticallyby using realistic shock parameters. It is shown that the present model can indeedaccount for injection efficiencies inferred from the observations of a nearby SNR.

We also investigate the effects of multidimensionality on the efficiency of particle accelerationin high Mach number shocks. The electron-ion electrostatic two-stream instability,known as the Buneman instability, is thought to play a role in the electron shock surfingacceleration. Two-dimensional particle-in-cell simulations show that the instability hasa smaller saturation level than previously thought because of the growth of many modespropagating oblique to the beam direction. We present a new estimate of the saturationlevel of the Buneman instability, suggesting that strong electron surfing acceleration canoccur at supernova remnant shocks. While on the other hand, the result indicates thatelectron acceleration to relativistic energy by the shock surfing acceleration is unlikely tooccur at shock waves in the heliosphere.

Because of the presence of many oblique modes, the Buneman instability in multidimensionsproduces spatially isolated potential structures, which violates the assumptionof a one-dimensional potential structure originally made by the theory of the electronshock surfing acceleration. Electron acceleration, that is achieved by the transport ofelectrons anti-parallel to the inductive electric field, seems to be inefficient in such a multidimensionalpotential structure. However, two-dimensional particle-in-cell simulationsshow that stochastic electron scattering plays a role. A periodic simulation model of thetransition region of perpendicular shocks is used to investigate the interactions betweenelectrons and turbulent electrostatic waves in weakly magnetized plasmas. It is shownthat stochastic electron scattering by large amplitude electrostatic waves plays a similarrole to that of the one-dimensional potential, so that electrons are accelerated by an effectivemotional electric field. As a result, energetic electrons are transported transverseto the beam direction.

The transport of energetic electrons transverse to the beam direction is actually importantin a real shock transition region. A self-consistent high Mach number perpendicularshock is simulated by using a two-dimensional particle-in-cell code. It is demonstratedthat strong electron acceleration is actually observed even in multidimensions. Since thereflected ions drift oblique to the shock normal, oblique wavefronts of electrostatic wavesare produced by the Buneman instability. Because of this, electrons stochastically acceleratedby the turbulent electrostatic waves are transported to the upstream direction. Asa result, they are ejected into the upstream region and suffer further acceleration by theupstream constant motional electric field. We conclude that the electron shock surfingacceleration is a robust process that actually survives in multidimensions. However, thetheory of electron shock surfing acceleration should be modified to include the effects ofmultidimensionality. Implication for the nonlinear evolution of the shock structure in thepresence of nonthermal particles is also discussed.

高温希薄なプラズマで満たされた宇宙空間は、熱的プラズマに加えて非熱的成分が存在しているが、非熱的成分はべき乗則に従うエネルギースペクトルを示し、そのエネルギー密度はしばしば熱的成分に対して無視できないことが知られている。この非熱的成分の起源として統計フェルミ加速モデルが有力視されてきているが、フェルミ加速が有効に機能するためには、何らかのメカニズムで熱的プラズマの一部を中間エネルギーまで加熱・加速する必要があり、そのメカニズムは「粒子注入」の未解決問題となっていた。本論文では、衝撃波近傍での非線形プラズマ波動の性質を詳しく調べることにより、短時間で効率よく非熱的エネルギーまで粒子を加速する「波乗り加速機構」が粒子注入機構に有効であることを見出した。電子の注入問題の理解を大きく前進させた高く評価できる論文である。

まず第1章は先行研究のレビューであり、無衝突衝撃波の構造、乱流場の下での統計フェルミ加速機構、直接加速として知られるドリフト加速や波乗り加速について解説されている。これらの先行研究成果を踏まえて、第2章では、電子注入問題をParticle-In-Cell(PIC)シミュレーションを用いて考察する。プロトンの注入機構に対してはこれまで幾つかのアイデアが提案されているが、慣性質量の小さい電子に対しては加速加熱メカニズムの理解が乏しかった。衝撃波遷移領域での2流体プラズマ不安定による大振幅静電場の励起とその電場による波乗り加速に着目し、無衝突衝撃波のPICシミュレーションをおこなうことにより粒子加速過程を詳細に解析した。シミュレーション結果を基に、高マッハ数の衝撃波に応用できる電子注入モデルを構築すると同時に、その構築した理論モデルが超新星残骸での衝撃波観測結果も説明できることを示した。

第3章では2次元空間でのブーネマン不安定のシミュレーションを行い、斜め伝播効果による非線形波動の飽和過程の理論を構築した。第2章では単純化のため非線形波動の励起について1次元性を仮定していたため、2流体プラズマ不安定の評価については慎重な議論が必要である。2次元PICシミュレーションを行うことにより、斜め伝播効果を考慮したブーネマン不安定の飽和レベルを解析し、飽和レベルが1次元モデルの20-30%程度に抑えられることを定量的に明らかにした。

第4章では、3章でのブーネマン不安定の非線形過程を考慮して、磁場が存在する衝撃波近傍での波乗り加速メカニズムへと考察を進めていく。衝撃波遷移層を抽出した2次元周期系の非線形発展をPICシミュレーションで調べることにより、1次元過程では現れなかった静電ポテンシャル構造に対して斜め方向に運動する電子も加速に有効に働くこと、そしてこれが電子注入過程にも大きく寄与することを見出した。

第3章および4章では、衝撃波遷移領域だけを模擬した閉じた系(周期系)での考察であったが実際の衝撃波は開放系であり、衝撃波遷移領域にエネルギー運動量の流入がある。第5章では、2次元衝撃波の大規模数値シミュレーションを実行して、電子注入問題および衝撃波の多次元構造を考察している。2次元衝撃波の研究は、現在のスーパーコンピュータを用いても野心的な研究である。大規模計算の結果、開放系(衝撃波系)になると周期系とは異なり波乗り加速の効率が上がること、また静電ポテンシャルの2次元幾何学的構造によって、エネルギー喪失を経ることなく多数回の波乗り加速が可能であることを発見した。これら一連のシミュレーション結果より、2章で提案した電子注入機構のシナリオの正当性を強固なものとした。最終章では、衝撃波粒子加速の解決に向けた今後の展望が述べられている。

論文は共同研究の部分もあるが、論文提出者が主体となって数値シミュレーション研究を行っており、論文提出者の鋭い洞察力がなくては完成しなかったのは言うまでもない。本人の寄与が十分にあると考えられる。

以上の理由により、博士(理学)の学位に十分に値すると認める。