[論文レビュー] Cosmic ray-driven galactic winds: transport modes of cosmic rays and Alfvén-wave dark regions

Timon Thomas, Christoph Pfrommer+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Arepoコードを用いて2次モーメント流体モデルを用い、銀河風における宇宙線（CR）輸送を自己自己一貫的にシミュレートした。その結果、CRは標準的なストリーミングまたは拡散の枠組みでは記述できない非定常状態の輸送を示すことが明らかになった。主な発見は、アルベーン波が存在しない局所的領域（アルベーン波ダーク領域）であり、CRの速度がアルベーン音速未満であるため、波の励起が不十分で、CRが波からエネルギーを効率的に取り出せないため、拡散係数が定常状態の予測値よりも数個オーダー大きく、その値が著しく上昇することが分かった。

ABSTRACT

Feedback mediated by cosmic rays (CRs) is an important process in galaxy formation. Because CRs are long-lived and because they are transported along magnetic field lines independently of any gas flow, they can efficiently distribute their feedback energy within the galaxy. We present an in-depth investigation of (i) how CRs launch galactic winds from a disc that is forming in a $10^{11} \mathrm{M}_\odot$ halo and (ii) how CR transport affects the dynamics in a galactic outflow. To this end, we use the Arepo moving-mesh code and model CR transport with the two-moment description of CR hydrodynamics. This model includes the CR interaction with gyroresonant Alfvén waves that enables us to self-consistently calculate the CR diffusion coefficient and CR transport speeds based on coarse-grained models for plasma physical effects. This delivers insight into key questions such as whether the effective CR transport is streaming-like or diffusive-like, how the CR diffusion coefficient and transport speed change inside the circumgalactic medium (CGM), and to what degree the two-moment approximation is needed to faithfully capture these effects. We find that the CR-diffusion coefficient reaches a steady-state in most environments with the notable exception of our newly discovered Alfvén-wave dark regions where the toroidal wind magnetic field is nearly perpendicular to the CR pressure gradient so that CRs are unable to excite gyroresonant Alfvén waves. However, CR transport itself cannot reach a steady-state and is not well described by either the CR streaming paradigm, the CR diffusion paradigm or a combination of both.

研究の動機と目的

• 10^11\,\mathrm{M}_{\odot}のハローを用いた、自己自己一貫的なCR輸送モデルを用いて、宇宙線（CR）がどのように銀河風を駆動するかを調査すること。
• 銀河風におけるCR輸送が、定常状態のストリーミングまたは拡散のパラダイムに従うか、それともハイブリッドモデルに従うかを特定すること。
• アルベーン波の励起が抑制されるため、標準的なパラダイムとは逸脱するCR輸送領域を同定し、その特徴を明らかにすること。
• 非定常状態のCR輸送を捉えるために、2次モーメントCR流体力学の手法が有効で、必要不可欠であるかを評価すること。

提案手法

• SN駆動のCR注入を伴う10^11\,\mathrm{M}_{\odot}のハローにおける銀河形成を、Arepoの移動メッシュコードを用いてシミュレートした。
• ギロレゾンランスのアルベーン波相互作用を通じて、CRの拡散およびストリーミング速度を自己自己一貫的に計算する2次モーメントのCR流体力学を採用した。
• CRエネルギー密度とフラックスを解くことでCR輸送をモデル化し、拡散係数はアルベーン波の増幅と減衰のバランスから導出した。
• 波活動が抑制される領域を特定するために、CR圧力勾配、磁場の幾何構造、アルベーン波の振幅の時間発展を追跡した。
• 有効な輸送速度および拡散係数を定常状態の予測と比較することで、CR輸送の挙動を分析した。
• 『アルベーン波ダーク領域』は、CR圧力勾配に対してトロイダル風の磁場がほぼ垂直である場所であり、このためギロレゾンランスのアルベーン波が励起されない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河風におけるCR輸送は、定常状態のストリーミングまたは拡散、あるいはその組み合わせに従うか？
• RQ2 CRの拡散係数は、周囲銀河媒体（CGM）でどのように時間発展するか？また、定常状態モデルで十分に近似可能か？
• RQ3 銀河噴流において、標準的なCR輸送パラダイムからの逸脱を引き起こす物理的条件は何か？
• RQ4 CR輸送が根本的に非定常状態であるような領域は存在するか？その原因は何か？
• RQ5 アルベーン波ダーク領域の起源と、CR輸送および風ダイナミクスにおけるその重要性は何か？

主な発見

• ISMに注入されたCRは、ディスクの上下に分層的な分布を形成し、ハロー・ディスク界面で超音速に加速され、双極的で磁場を有する銀河風が駆動される。
• 銀河風は、内側の熱的支配領域（低密度）と外側のCR圧力支配領域に分かれ、乱流混合が噴流の形態を形作る。
• 風中のCR輸送は、定常状態のストリーミング、拡散、あるいはそれらの組み合わせでは記述できない。代わりに、Fickの法則に従わない非定常状態の挙動を示す。
• CRの拡散係数は、大多数の領域で定常状態に達するが、CRエネルギー密度（\kappa \propto \varepsilon_{\mathrm{cr}}^{-0.5}）およびガス密度（\kappa \propto \rho^{-0.5}）に対して強い逆比例関係を示し、磁場強度には強く依存しない。
• アルベーン波ダーク領域は、内側風と外側風の遷移領域に発見され、CRの有効な輸送速度がアルベーン音速未満であり、ギロレゾンランスのアルベーン波を励起できないため、拡散係数が定常状態の予測値よりも数個オーダー大きく、著しく上昇する。
• これらのダーク領域では、CRがアルベーン波からエネルギーを抽出しており、標準的な波媒介輸送とは逆のエネルギーの流れが生じている。この現象は、トロイダル磁場とCR圧力勾配のほぼ垂直な配置に起因する。