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共創戦略統括本部

アストロフュージョンプラズマ物理研究分野

研究分野の概要　　　

　我々の知っている宇宙全体の物質の99%以上はプラズマ状態にあると言われるほど、プラズマ物理学の世界は、宇宙の数多くの物理現象にとって根本的な原理を与えます。また人類究極のエネルギー源と期待される核融合発電にとっても、プラズマ物理の理解は研究の原動力となっています。自然科学研究機構の核融合科学研究所と国立天文台はプラズマ物理学の中核的な研究施設であり、またそれぞれが世界的な研究ネットワークを築きあげて国際的研究活動を推進してきました。これらの研究所で研究されてきたプラズマ物理学を、分野融合した国際的研究分野として発展させることを目的として、アストロフュージョンプラズマ物理学研究部門（IRCC-AFP）が発足しました。

　核融合プラズマ研究と天体プラズマ研究を総合化した融合プラズマ物理学は、欧米の研究環境においても新しい試みです。ドイツのマックスプランク協会は、マックスプランクの国際研究活動部門であるマックスプランクセンターのひとつとして、米国のプリンストン大学と共同してフラズマ物理学研究センターを設立しています。IRCC-AFPは、この米独間の国際共同研究の動きと連動し、日・米・欧の三極の国際連携研究活動として融合プラズマ物理学の発展に寄与していきます。

　NINSはプリンストン大学、マックスプランク協会との協力の下、IRCC-AFPの主要な研究活動の担い手として専任の国際博士研究員を国際公募によって採用しています。また、アメリカやドイツへ研究者を長期派遣し、直接的・実質的な国際連携研究にも携わっています。さらに、国内の大学や研究機関にて国際連携研究を推進する研究者らと連携し、日本全体として融合プラズマ物理学の国際連携研究ネットワークを構築しています。

　2023年４月１日からは共創戦略統括本部アストロフュージョンプラズマ物理学研究分野（AFP）と名称を変更し、引き続きプリンストン大学、マックスプランク協会との協力の下、国際連携研究を実施しています。

研究活動

(1) マックスプランク・プラズマ物理研究所との連携による国際共同研究

国際特任研究員(Ph.D.)：Fabien Widmer

研究指導者１：町田真美准教授（国立天文台）

研究指導者２：Dr. Emanuele Poli（マックスプランク・プラズマ物理研究所）

主な研究場所：マックスプランク・プラズマ物理研究所（ドイツ・ガルヒン市）

Fabien Widmer

　天体プラズマと核融合プラズマの双方において、プラズマの乱流現象、磁気再結合過程、また磁気島のダイナミクスの間には、重要な相互作用のあることが知られています。ミクロスコピックな乱流過程と、磁気島のような大きなスケールの構造形成の間では、非線形な相互作用やエネルギーのやりとりが発生するからです。我々の共同研究では、位相空間の５次元の変数の動きを直接追跡することが可能なGyrokineticシミュレーションコードを用いて、これらの物理現象において特に重要な研究課題と考えられている、1) 磁気再結合過程を引き起こす乱流のダイナミクスの解析、2) 磁気島と乱流現象との間の相互作用について、理論・シミュレーション研究を行います。

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(2) プリンストン大学天体物理学科との連携による国際共同研究

国際特任研究員（Ph.D.）：Arno Vanthieghem

研究指導者1：藤堂泰教授（核融合科学研究所）

研究指導者2：Prof. Anatoly Spitkovsky （プリンストン大学天体物理学科）

主な研究場所：プリンストン大学天体物理学科

Arno Vanthieghem

　超新星残骸などの高エネルギー天体で観測される非熱的放射は、無衝突衝撃波が熱的プラズマから非熱的な宇宙線粒子を生成する非常に効率的なチャンネルであることを示唆している。宇宙線の大部分はイオンが担っているが、加速された相対論的電子宇宙線は、自己生成する磁場によってシンクロトロン放射するため、加速サイトの同定や加速機構の推定に繋がる。加速粒子の存在は、プラズマの不安定性を誘起し更なる加速を導くため、マルチスケールで複雑な粒子加速機構を解明する事が非常に重要である。我々は、このような高度に非線形でマルチスケールの問題に対して、運動論的シミュレーション技法と解析的なモデリングによって取り組むことにより、様々なベータ値とプラズマの流れに対して、衝撃波の構造と粒子加速機構について明らかにする。

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(3)プリンストン大学天体物理学科との共同雇用による国際共同研究

共同雇用者 : プリンストン大学天体物理学科研究員 Samuel Totorica

共同研究者１: 町田真美准教授（国立天文台）

共同研究者２: Amitava Bhattacharjee（プリンストン大学天体物理学科）

Samuel Totorica

　細く収束した超音速のプラズマ流である宇宙ジェットは、原始星やX線連星などのpcスケールのジェットから、100kpc以上に伝搬する活動銀河核ジェットなど、宇宙の中の様々な階層で観測されている。ブラックホールの莫大な重力エネルギーは宇宙ジェットを介して星間空間に解放され、その伝搬距離はSchwarzshild半径の108倍にも達する。宇宙ジェットは、高エネルギー宇宙線の加速起源の有力候補であり、Ｘ線連星系では1015から1017eV、活動銀河核ジェットは1018eV以上のエネルギーの加速粒子を生成できると考えられている。粒子加速サイトは、超音速のジェットビーム内で生じる様々な衝撃波による衝撃波加速が主な機構と考えられているが、プラズマ流は磁場を伴うため、磁気リコネクションによる加速も重要となるであろう。我々は、運動論的PICシミュレーションを用いて、これらの現象における粒子加速と放射場のメカニズムを解析し、宇宙ジェットの解析に広く用いられているMHDモデルの改善を目指す。

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(4) 日米独の国際連携関係

アストロフュージョンプラズマ物理研究分野　構成員

職　名	氏　　　名	備　考	担当分野等
研究部門長教授	関口　和寛	国立天文台　併任
准教授	町田　真美	国立天文台　併任
特任助教（国立天文台フェロー）	長倉　洋樹	国立天文台　併任
教授	藤堂　　泰	核融合科学研究所　併任
准教授	仲田　資季	核融合科学研究所　併任
客員教授	Hantao Ji	プリンストン大学天体物理学教授　/ プリンストンプラズマ物理学研究所特別研究員	I am interested in basic plasma physics phenomena common in space, solar and astrophysical plasmas, as well as in laboratory plasmas including fusion-related plasmas. My primary research subjects include magnetic reconnection, magnetorotational instability in the lab, magnetized high-energy-density laser plasmas, free-surface liquid metal flow in magnetic field, and magnetic self-organization in laboratory plasmas. My primary research approach is to conduct experiments aided by theory, numerical simulation, and machine learning techniques. In the Department of Astro-fusion Plasma Physics (AFP), I intend to collaborate or to facilitate broad collaborations with students, postdocs, and researchers at NINS, including both NIFS and NAOJ, on any subjects listed above, as well as other related topics, based on mutual visits and joint projects.
客員教授	Per Helander	マックスプランクプラズマ物理研究所所長（ステラレータ理論部門責任者）　/ Professor of Theoreti cal Physics at Greifswald University	My personal research interests include the kineti c theory of plasma equilibria, instabiliti es andturbulence, in parti cular with regard to plasmas confi ned by stellarators and tokamaks. At the Department ofAstro-Fusion Plasma Physics, I have been involved in the selecti on of postdoctoral researchers hired by IRCC-AFP.
客員教授	松元　亮治	千葉大学情報戦略機構　特任教授	AFPにおける担当分野：宇宙磁気流体現象の理論・シミュレーション研究に関する連携研究分野：ブラックホールのまわりに形成される降着円盤の時間変動と状態遷移の理論・シミュレーション研究
客員教授	小野　　靖	東京大学大学院新領域創成科学研究科　教授	私のAFPにおける主たる担当分野は実験室天文学で，特に磁気リコネクションや磁化プラズマの自己組織化の実験研究を，日英のTS-4, UTST, TS-6, ST-40実験装置を用いて行っています。室内プラズマ実験，宇宙・太陽・天体プラズマ観測，理論・シミュレーション研究の融合とそれらの核融合プラズマへの応用に焦点をあてた独自のアプローチといえます。磁気リコネクションや自己組織化分野の国際協力プログラムCMSOやMR国際会議，IPELS国際会議を組織し，国際的に広がる実験・観測・理論の分野融合研究・若手研究者の教育に努めています。
客員教授	渡邉　智彦	名古屋大学大学院理学研究科　教授	スーパーコンピュータを活用した数値シミュレーションを用いて、核融合と宇宙・天体プラズマに共通する物理現象の研究に取り組んでいます。特に、プラズマの運動論効果が関わる非線形現象に興味を持っており、最近は、核融合プラズマにおける乱流輸送や地球磁気圏-電離圏結合系に発達するオーロラの研究に注力しています。
客員准教授	富田　賢吾	東北大学理学研究科天文学専攻　准教授	I study star and planet formation processes using non-ideal magnetohydrodynamic simulations. I am one of the core developers of the Athena++ adaptive mesh refinement framework for astrophysical simulations.
客員助教	川面　洋平	東北大学学際科学フロンティア研究所　助教	My area of expertise is in theoretical and computational research on plasma turbulence in the context of astrophysics, including topics such as solar wind and black hole accretion flows. I am particularly interested in studying both collisional and collisionless astrophysical turbulence by using theoretical models, such as gyrokinetics, drift kinetics, and reduced magnetohydrodynamics, which have been developed in the field of magnetic confinement fusion. In AFP, I will contribute to bridging turbulent reconnection in magnetically confined plasma and in astrophysical systems.
特任研究員	Fabien Widmer	マックスプランクプラズマ物理研究所
特任研究員	Arno Vanthieghem	プリンストン大学
特任研究員	Samuel Totorica	プリンストン大学（クロスアポイントメント）