[論文レビュー] The impact of cosmic rays on the interstellar medium and galactic outflows of Milky Way analogues

Francisco Rodríguez Montero, Sergio Martin-Alvarez+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、はくちゅう銀河に類似した銀河の宇宙論的ズームインシミュレーションにおいて、宇宙線（CR）フィードバックの役割を調査した。CRは高レドシフトで星形成を抑制し、超新星効率を高めることで、星形成物質量を約10倍、コズミック・ノーンでは約4倍減少させる。CR圧力勾配が、温いイオン化ガスが支配する多相性の銀河外吹き出しを駆動し、高レドシフトでは冷たいおよび中性相も顕著である。これはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）観測による検証が可能な予測を提供する。

ABSTRACT

During the last decade, cosmological simulations have managed to reproduce realistic and morphologically diverse galaxies, spanning the Hubble sequence. Central to this success was a phenomenological calibration of the few included feedback processes, whilst glossing over higher complexity baryonic physics. This approach diminishes the predictive power of such simulations, preventing to further our understanding of galaxy formation. To tackle this fundamental issue, we investigate the impact of cosmic rays (CRs) and magnetic fields on the interstellar medium (ISM) and the launching of outflows in a cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy. We find that including CRs decreases the stellar mass of the galaxy by a factor of 10 at high redshift and $\sim 4$ at cosmic noon, leading to a stellar mass to halo mass ratio in good agreement with abundance matching models. Such decrease is caused by two effects: i) a reduction of cold, high-density, star-forming gas, and ii) a larger fraction of SN events exploding at lower densities, where they have a higher impact. SN-injected CRs produce enhanced, multi-phase galactic outflows, which are accelerated by CR pressure gradients in the circumgalactic medium of the galaxy. While the mass budget of these outflows is dominated by the warm ionised gas, warm neutral and cold gas phases contribute significantly at high redshifts. Importantly, our work shows that future JWST observations of galaxies and their multi-phase outflows across cosmic time have the ability to constrain the role of CRs in regulating star formation.

研究の動機と目的

• 宇宙線（CR）および磁場が、宇宙論的銀河モデルにおける星形成の制御と銀河外吹き出しの駆動に果たす役割を調査すること。
• CRフィードバックが、標準的流体力学（HD）および磁気流体力学（MHD）シミュレーションと比較して、星間媒体（ISM）の構造および熱力学的性質に与える影響を評価すること。
• CR駆動フィードバックが、フィードバック過程の手動補正なしに観測された星形成物質量-ハロー質量関係を自然に再現できるかどうかを検証すること。
• 銀河外吹き出しの多相的性質と、CR圧力勾配が円銀河系媒体（CGM）における吹き出し加速に果たす貢献を調査すること。

提案手法

• 自己一貫的なCR輸送とエネルギー供給を備えた、RAMSES-適応メッシュリファインメント（AMR）コードを用いた、はくちゅう銀河に類似した銀河の宇宙論的ズームインシミュレーションを実施した。
• 拡散、ストリーミング、エネルギー損失プロセスを含むCR輸送モデルを実装し、熱的および磁場圧力ダイナミクスと結合した。
• HD、MHD、CR-MHD（CRMHD）の3つのシミュレーションバージョンを比較し、CRフィードバックの効果を隔離した。
• ISMおよび外吹き出しにおけるガス相（冷たい、温い中性、温いイオン化、高温）の進化を追跡し、質量ローディング要因および熱力学的性質を分析した。
• SN爆発地点の空間的分解能分析を用い、CRフィードバックが周囲密度および冷却効率に与える影響を定量化した。
• 外吹き出しの形状および加速機構を評価し、CR圧力勾配と熱的圧力の寄与を区別した。

Figure 1: Overview of the CRMHD model of the nut simulation at $z=1.5$ . Background: Colour composite of the zoom-in region centred on the nut galaxy, with gas density (silver blue), gas temperature (orange) and CR energy density (yellow), showing 600 kpc along the x-axis. Three cold filaments are f

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線は、宇宙時間にわたってはくちゅう銀河に類似した銀河の星形成物質量の蓄積にどのように影響するか？
• RQ2 CRフィードバックは、星間媒体の多相的構造および熱力学的性質にどのような影響を与えるか？
• RQ3 CR圧力勾配は、円銀河系媒体における外吹き出しの加速および形状にどのように寄与するか？
• RQ4 CRは、爆発環境および冷却損失を変化させることで、超新星フィードバックの効率をどの程度変化させるか？
• RQ5 CR駆動外吹き出しは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）で検出可能な観測可能な多相性外吹き出し特性を再現できるか？

主な発見

• 宇宙線を含めると、高レドシフトではシミュレートされたはくちゅう銀河に類似した銀河の星形成物質量が約10倍、コズミック・ノーンでは約4倍減少し、濃度マッチングモデルと整合する。
• CRフィードバックは、冷たい高密度の星形成ガスを抑制し、低密度環境で爆発する超新星の割合を増加させ、フィードバック効率を向上させる。
• CRMHDシミュレーションにおける外吹き出しは、質量的に温いイオン化相（9000–10⁵ K）が支配的であり、高レドシフトでは冷たいおよび温い中性相からの寄与も顕著である。
• CRMHDシミュレーションの外吹き出しは、HDおよびMHDシミュレーションよりも高い質量ローディング要因を示し、双極性の高温外吹き出しに加え、クラスターやフィラメント状の冷たい相が埋め込まれている。
• CR圧力勾配が、温いおよび冷たい相の外吹き出しの主な加速機構を占め、熱的圧力支持は無視できるほど小さい。
• CRMHDシミュレーションは、CR駆動外吹き出しにおいて、双極性の高温外吹き出しに埋め込まれたクラスターやフィラメント状の冷たい成分を示す多相的構造を予測する。これは近い将来のJWST観測による検証が可能である。

Figure 2: Projections of the nut galaxy for the three main models explored in this work: HD (top 2 rows), MHD (middle 2 rows), and CRMHD (bottom 2 rows), generated at $z=1.5$ . For each model, the plot includes density-weighted projections of gas density (first column), gas temperature (second colum