[논문 리뷰] Cosmic Ray Transport in the Ionized and Neutral ISM: MHD-PIC Simulations and Effective Fluid Treatments

Christopher J. Bambic, Xue‐Ning Bai외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 23.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이온화된 간성간 매질(ISM)과 중성 구름을 가로질러 우주선(CR)이 이동하는 과정에 대해 최초로 자기장-플라즈마-입자-역학(MHD-PIC) 시뮬레이션을 수행하며, 자가 생성된 알프레드 파동에 의한 입자-파동 산산이 흩어짐이 유체 유사한 CR 거동을 이끌어내는 것을 입증한다. 시뮬레이션은 파동-입자 산산이 산란하는 비율이 쿼시선형 이론과 포커-플랑크 이론이 예측한 비율과 일치할 경우 CR 유체역학이 정확히 CR 이동을 묘사함을 확인하며, 이는 ISM 내에서의 유체 근사가 타당함을 검증한다.

ABSTRACT

Cosmic rays (CRs) have critical impacts in the multiphase interstellar medium (ISM), driving dynamical motions in low-density plasma and modifying the ionization state, temperature, and chemical composition of higher-density atomic and molecular gas. We present a study of CR propagation between the ionized ISM and a neutral cloud. Using one-dimensional magnetohydrodynamic particle-in-cell simulations which include ion-neutral drag to damp Alfv$\acute{ ext{e}}$n waves in the cloud, we self-consistently evolve the kinetic physics of CRs and fluid dynamics of the multiphase gas. By introducing the cloud in our periodic domain, our simulations break translational symmetry and allow the emergence of spatial structure in the CR distribution function. A negative spatial gradient forms across the fully-ionized ISM region while a positive gradient forms across the neutral cloud. We connect our results with CR hydrodynamics formulations by computing the wave-particle scattering rates as predicted by quasilinear, fluid, and Fokker-Planck theory. For momenta where the mean free path is short relative to the box size, we find excellent agreement among all scattering rates. By exploring different cloud sizes and ion-neutral collision rates, we show that our results are robust. Our work provides a first-principles verification of CR hydrodynamics when particles stream down their pressure gradient, and opens a pathway toward comprehensive calibrations of transport coefficients from self-generated Alfv$\acute{ ext{e}}$n wave scattering with CRs.

연구 동기 및 목표

• 이온-중성체 감쇠가 파동을 매개로 하는 산산이 산란을 변화시키는 이온화된 ISM에서 중성 구름으로의 전이 영역에서의 우주선 이동을 조사하기 위해.
• 중성 구름에 의해 삽입된 구름들로 인해 공간적 기울기가 심하고 이동 대칭성이 깨진 영역에서의 CR 유체역학의 타당성을 시험하기 위해.
• 쿼시선형 이론과 포커-플랑크 산란률과 같은 유체 기반 이론과 운동론적 시뮬레이션을 비교하여 운동계수를 校정하기 위해.
• 특히 낮은 이온화도, 낮은 전도도를 가지는 중성 환경에서 우주선의 유체 근사가 언제 붕괴되거나 유지되는지를 규명하기 위해.
• 미래의 은하 스케일 시스템에서 우주선 이동을 모델링하기 위한 첫 번째 원리 기반 기초를 마련하기 위해, 校정된 유체 계수를 사용한다.

제안 방법

• 이온-중성체 마찰을 포함한 1차원, 주기적인 MHD-PIC 시뮬레이션을 수행하여 중성 구름 영역에서 알프레드 파동을 감쇠시킨다.
• 우주선 역학을 입자-세포 방법으로 모델링하며, 우주선 흐름 불안정성(CRSI)을 통해 자가 일관된 파동 생성을 수행한다.
• 파동-입자 산산이 산란이 존재하는 상황에서 공간 기울기와 시간 변화를 추출하기 위해 CR 분포함수와 그 모멘트(에너지 밀도 및 유량)를 계산한다.
• 시뮬레이션에서의 CR 모멘트의 시공간적 진화를 이용하여 쿼시선형 이론, 포커-플랑크 이론 및 시뮬레이션 결과로부터 산산이 산란률을 계산한다.
• 다양한 이론적 프레임워크 간의 산란률을 비교하여 CR 유체역학과의 일치성을 평가한다.
• 구름 크기와 이온-중성체 충돌률을 변화시켜 다양한 물리적 영역에서 결과의 강건성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 구름이 존재하고 이온-중성체 감쇠가 있는 경우, 이는 이동 대칭성을 어떻게 깨뜨리고 우주선 분포함수의 공간적 구조를 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 자가 생성된 알프레드 파동이 존재하는 상황에서 운동론적 시뮬레이션과 유체 기반의 CR 유체역학 간의 일치 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 시뮬레이션 모멘트의 시공간적 진화로부터 유도된 입자-파동 산란률은 쿼시선형 이론과 포커-플랑크 이론의 예측과 일치하는가?
• RQ4 어떤 조건에서 낮은 이온화도, 낮은 전도도를 가지는 영역(예: 분자구름)에서 우주선의 유체 근사가 유지되는가?
• RQ5 첫 번째 원리 기반 운동론적 시뮬레이션에서 유도된 운동계수는 천체물리학 모델에서 매크로스코픽 CR 유체역학을 校정하는 데 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 파동-입자 산산이 산란에 의해 유도된 확산적 확산으로 인해 이온화된 ISM 영역에서 우주선 에너지 밀도에 음의 공간 기울기가 형성된다.
• 산산이 산란이 억제되는 중성 구름 영역에서는 산란이 강하게 작용하지 않아서 유량이 감소하고, 공간 기울기가 존재하는 상황에서 우주선 에너지 밀도에 양의 공간 기울기가 나타난다.
• 시뮬레이션에서의 CR 모멘트의 시공간적 진화로부터 계산된 산란률은 평균 자유로운 길이가 시뮬레이션 박스 크기보다 짧은 영역에서는 쿼시선형 이론과 포커-플랑크 이론이 예측한 값과 잘 일치한다.
• 세 가지 산란률 계산 간의 일치는 특히 ISM 영역 내에서 여러 개의 평균 자유로운 길이가 수용 가능한 영역에 들어갈 수 있는 운동량을 가지는 우주선에 대해, CR 유체역학이 첫 번째 원리 기반으로 검증됨을 보여준다.
• 결과는 다양한 구름 크기와 이온-중성체 충돌률에 대해 강건하며, 이는 연구된 조건 하에서 유체 근사의 타당성이 이러한 매개변수에 민감하지 않음을 시사한다.
• 이 연구는 자가 생성된 알프레드 파동 산산이 산란을 이용한 확산 계수의 첫 번째 원리 기반 校정을 위한 길을 열었으며, 다상태 ISM 내에서 더 정확한 CR 이동 모델링을 가능하게 한다.