[論文レビュー] Spectrally resolved cosmic rays: II -- Momentum-dependent cosmic ray diffusion drives powerful galactic winds

Philipp Girichidis, Christoph Pfrommer+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 97被引用数 49

ひとこと要約

本稿では、銀河形成シミュレーションに組み込まれた、運動量に依存する拡散およびスペクトル的冷却を有する、スペクトル的に分解された宇宙線（CR）モデルを紹介する。このモデルは、移動メッシュコードArepoに実装されている。結果として、運動量が約200–600 GeV c⁻¹のCRが初期の流れの先端を駆動し、低運動量のCR（約8–15 GeV c⁻¹）が後の流れを維持する。その結果、質量ローディング要因が1程度の値を示すが、これはグレーCRモデルでは不正確な冷却および拡散のため、得られなかった結果である。

ABSTRACT

Recently, cosmic ray (CR) feedback has been identified as a critical process in galaxy formation but most previous simulations have integrated out the energy-dependence of the CR distribution, despite its large extent over more than twelve decades in particle energy. To improve upon this simplification, we present the implementation and first application of spectrally resolved CRs which are coupled to the magneto-hydrodynamics in simulations of galaxy formation. The spectral model for the CRs enables more accurate cooling of CRs and allows for an energy-dependent spatial diffusion, for which we introduce a new stable numerical algorithm that proves essential in highly dynamical systems. We perform galaxy formation simulations with this new model and compare the results to a grey CR approach with a simplified diffusive transport and effective cooling that assumes steady-state spectra. We find that the galaxies with spectrally resolved CRs differ in morphology, star formation rate, and strength and structure of the outflows. Interestingly, the first outflow front is driven by CRs with average momenta of $\sim200-600\,\mathrm{Gev}~c^{-1}$. The subsequent formation of outflows, which reach mass loading factors of order unity, are primarily launched by CRs of progressively smaller average momenta of $\sim8-15\,\mathrm{GeV}~c^{-1}$. The CR spectra in the galactic centre quickly approach a steady state, which does not significantly vary over time. In the outer disc and outflow regions, the spectral shape approaches steady state only after $\sim2\,\mathrm{Gyr}$ of evolution. Furthermore, the shapes of the approximate steady state spectra differ for individual regions of the galaxy, which highlights the importance of actively including the full CR spectrum.

研究の動機と目的

• 定常状態のスペクトルと均一な輸送特性を仮定するグレーCRモデルの限界を克服すること。
• 非常に動的な銀河シミュレーションにおいて、エネルギーに依存するCR拡散およびスペクトル的冷却を正確にモデル化すること。
• スペクトル的に分解されたCRが、グレーモデルと比較して銀河風の発生、形状、星形成に与える影響を調査すること。
• Arepoのような移動メッシュコードにおける運動量に依存するCR拡散を安定に数値的に実装するアルゴリズムを開発すること。
• 異なるCR運動量範囲が、流れを駆動し、銀河進化を規制する役割をどのように果たすかを定量化すること。

提案手法

• 各セルにおけるCR運動量分布関数を完全に追跡する、スペクトル的に分解されたCRソルバをArepo移動メッシュコードに実装する。
• 非常に動的な領域でも収束を保証する、運動量に依存する空間的拡散のための新規な安定な数値アルゴリズムを導入する。
• Coulomb冷却およびハドロン的冷却を含むエネルギー依存性冷却プロセスを組み込み、CRエネルギー損失を正確にモデル化する。
• スペクトル的に分解されたCR分布から導出された一般化された断熱指数を用いて、CR圧力をガス力学と正確に結合する。
• 同一の初期条件を用いて、有効拡散および冷却を有するグレーCRモデルと、新しいスペクトルモデルを比較する。
• スペクトル分解の影響を隔離するために、ホールーム質量が10¹¹ M⊙の高解像度銀河形成シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動量に依存するCR拡散は、グレーモデルと比較して、銀河風の構造および発生にどのように影響を及けるか？
• RQ2 どのCR運動量範囲が初期の流れの先端を主に駆動し、その後の持続的流れを形成しているか？
• RQ3 異なる銀河領域（特に密度の高い中心部、ディスク、流れ領域）において、CRスペクトルはどの程度の速さで定常状態に近づくか？
• RQ4 スペクトル的冷却は、銀河間媒体におけるCRエネルギー分布および圧力支持にどの程度の影響を及えるか？
• RQ5 CRスペクトルの時間的および空間的変動は、星形成およびエネルギー予算のグローバルな進化にどのように影響を及えるか？

主な発見

• 最初の流れの先端は、平均運動量が約200–600 GeV c⁻¹のCRによって主に駆動され、これらは急速に拡散し、周銀河媒体にエネルギーを効率的に沈殿させる。
• その後の流れで、質量ローディング要因が1程度に達するが、これは主に平均運動量が約8–15 GeV c⁻¹のCRによって駆動されている。
• 銀河中心部のCRスペクトルは約1 Gyrで定常状態に近づくが、外側ディスクおよび流れ領域では、約2 Gyrの進化を経てようやく定常状態に達する。
• 初期シミュレーションで無視されていたスペクトル的冷却を組み込むと、CRエネルギー分布が顕著に変化し、中心部における低エネルギーCRの優位性が低下し、GeV領域のCR割合が増加する。
• スペクトル的冷却を含めない場合、スペクトルモデルはCR圧力を過大評価し、結果としてディスクが厚くなり、星形成率も高くなる。冷却を含めると、この過大評価は是正される。
• 是正されたスペクトルモデルでは、強い低エネルギー冷却のため、CRスペクトルがより平坦になり、外側領域では顕著なスペクトルピークと強い時間的変化が見られ、シミュレーションの後半にかけてやっと定常状態に収束する。