[論文レビュー] Cosmic ray feedback in galaxies and galaxy clusters -- A pedagogical introduction and a topical review of the acceleration, transport, observables, and dynamical impact of cosmic rays

Mateusz Ruszkowski, Christoph Pfrommer|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、銀河および銀河団における宇宙線（CR）フィードバックについて、包括的かつ教育的なレビューを提供しており、CRの加速、輸送、および星間・周銀河・団内媒体における力学的影響をカバーしている。CRが銀河風を駆動し、団内媒体を加熱し、冷却フロー問題を解消できることを示しており、特に多スケールの天体物理学的環境におけるCRの流れ、波の減衰、自己閉じ込めメカニズムが重要な貢献をしている。

ABSTRACT

Understanding the physical mechanisms that control galaxy formation is a fundamental challenge in contemporary astrophysics. Recent advances in the field of astrophysical feedback strongly suggest that cosmic rays (CRs) may be crucially important for our understanding of cosmological galaxy formation and evolution. The appealing features of CRs are their relatively long cooling times and relatively strong dynamical coupling to the gas. In galaxies, CRs can be close to equipartition with the thermal, magnetic, and turbulent energy density in the interstellar medium, and can be dynamically very important in driving large-scale galactic winds. Similarly, CRs may provide a significant contribution to the pressure in the circumgalactic medium. In galaxy clusters, CRs may play a key role in addressing the classic cooling flow problem by facilitating efficient heating of the intracluster medium and preventing excessive star formation. Overall, the underlying physics of CR interactions with plasmas exhibit broad parallels across the entire range of scales characteristic of the interstellar, circumgalactic, and intracluster media. Here we present a review of the state-of-the-art of this field and provide a pedagogical introduction to cosmic ray plasma physics, including the physics of wave-particle interactions, acceleration processes, CR spatial and spectral transport, and important cooling processes. The field is ripe for discovery and will remain the subject of intense theoretical, computational, and observational research over the next decade with profound implications for the interpretation of the observations of stellar and supermassive black hole feedback spanning the entire width of the electromagnetic spectrum and multi-messenger data.

研究の動機と目的

• 銀河および銀河団形成分野の研究者を対象に、宇宙線プラズマ物理学への教育的導入を提供すること。
• 星間媒体から銀河団に至るスケールにわたるCRの加速、輸送、冷却プロセスに関する現在の理解を統合すること。
• CRの銀河風、周銀河媒体（CGM）の熱力学、団内媒体（ICM）の加熱に及ぼす力学的影響を評価すること。
• 特に宇宙論的シミュレーションおよびマルチメッセンジャーデータ解釈において、CRフィードバックのモデリングにおける未解決の理論的・観測的課題を特定すること。
• CR輸送、散乱、エネルギー賦存メカニズムに関する未解決の問題を整理することで、今後の研究を導くこと。

提案手法

• 1次および2次モーメントの流体力学を用いて、CR輸送の理論的枠組みを構築し、流れおよび拡散プロセスを組み込む。
• CRエネルギーおよびエントロピー法を用いて、磁場を有するプラズマにおける空間的・スペクトル的輸送をモデル化する。
• 波-粒子相互作用および流れ不安定性を統合し、乱流媒体におけるCR自己閉じ込めおよびアルベール波減衰をモデル化する。
• 半解析的および数値的モデルを用いて、ミルキーウェイにおけるCR伝播をシミュレートし、滞在時間およびB/C比を評価する。
• 進化する銀河のMHDシミュレーションを用いて、ディスク領域および層状ボックスにおける活性なCR輸送および風発生をモデル化する。
• Fermi、X線、電波、SZ調査からの観測データを分析し、CGMおよびICMにおけるCR輸送およびフィードバックを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線は、孤立系および宇宙論的銀河モデルにおいて、銀河風の形成および持続にどのように寄与するか？
• RQ2 宇宙線はどの程度、団内媒体を加熱し、銀河団における冷却フロー問題を解消できるか？
• RQ3 周銀河媒体および団内媒体における宇宙線の主な輸送メカニズムは何か？ また、それらは観測的シグネチャーにどのように影響を与えるか？
• RQ4 CR駆動の不安定性（例えば、パーカー不安定性）は、銀河および団ハローの構造と力学にどのように影響を与えるか？
• RQ5 宇宙線は、特に再イオン化期における分子水素の生成および星形成を促進するために、初期宇宙において果たす役割は何か？

主な発見

• 宇宙線は星間媒体において、熱的エネルギー、磁場エネルギー、乱流エネルギーとほぼ等価に達することができ、銀河風駆動において力学的に顕著な役割を果たす。
• CRの流れおよび波の減衰は、団内媒体を効率的に加熱でき、放射冷却を相殺し、団核における冷却フロー問題の解消に寄与する可能性がある。
• B/C比およびガンマ線放射からの観測的制約は、ミルキーウェイにおけるCR輸送が乱流および磁場構造に影響を受けており、準線形理論に比べて散乱率が抑制されている可能性を示唆している。
• シミュレーションでは、CRフィードバックがCGMの熱力学的および運動論的性質を顕著に変化させ、X線および線スペクトル診断に測定可能な影響を与えることが示された。
• 大質量ハローでは、AGNが注入した宇宙線がアルベール波励起を通じてCGMおよびICMを加熱し、他の加熱メカニズムと同等のエネルギー賦存率を示す。
• CGMにおけるCRと磁場の相互作用は、熱不安定性の成長を抑制し、ハローの相構造を変更することができ、多波長観測に影響を及ぼす可能性がある。