[논문 리뷰] Spectrally resolved cosmic rays: II -- Momentum-dependent cosmic ray diffusion drives powerful galactic winds

Philipp Girichidis, Christoph Pfrommer외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 97인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 아레포 이동 메쉬 코드에 구현된 운동량에 의존하는 확산과 스펙트럼 냉각을 고려한 스펙트럼적으로 해상도가 높은 우주선(CR) 모델을 소개한다. 이 모델은 은하 형성 시뮬레이션에서 사용된다. 결과적으로, 운동량이 약 200–600 GeV c⁻¹인 CRs가 초기 외부 유동의 전면을 주도하며, 더 낮은 운동량을 가진 CRs(약 8–15 GeV c⁻¹)가 후속 외부 유동을 유지한다. 이로 인해 질량 적재 인자가 약 일차원 수준에 이르게 되며, 이는 이전에 회색(CR) 모델에서는 관측되지 않았다. 그 이유는 냉각과 확산이 정확하지 않기 때문이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정적 스펙트럼과 균일한 운반 특성을 가정하는 은색(CR) 모델의 한계를 극복하기 위해.
• 극도로 다이나믹한 은하 시뮬레이션에서 에너지 의존적 CR 확산과 스펙트럼 냉각을 정확히 모델링하기 위해.
• 스펙트럼적으로 해상도가 높은 CRs가 은색 모델과 비교해 은하 외부 유동의 발생, 형태, 별 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 아레포와 같은 이동 메쉬 코드에서 운동량에 의존하는 CR 확산을 위한 안정적인 수치 알고리즘을 개발하기 위해.
• 다양한 CR 운동량 범위가 유동을 주도하고 은하 진화를 조절하는 데 기여하는 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 각 셀에서 전체 CR 운동량 분포 함수를 추적하는 아레포 이동 메쉬 코드에 스펙트럼적으로 해상도가 높은 CR 솔버를 구현한다.
• 극도로 다이나믹한 영역에서 수렴성을 보장하는 새로운 안정적인 수치 알고리즘을 도입하여 운동량에 의존하는 공간적 확산을 모델링한다.
• 쿨롱 및 하드론성 냉각을 포함한 에너지 의존적 냉각 과정을 통합하여 CR 에너지 손실을 정확히 모델링한다.
• 스펙트럼적으로 해상도가 높은 CR 분포에서 유도된 일반화된 단열 지수를 사용하여 CR 압력을 기체 역학과 정확히 결합한다.
• 동일한 초기 조건을 사용하여 새로운 스펙트럼 모델을 효과적 확산과 냉각을 가진 은색 CR 모델과 비교한다.
• 스펙트럼 해상도의 영향을 분리하기 위해 헬라 질량 10¹¹ M⊙인 고해상도 은하 형성 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동량에 의존하는 CR 확산은 은색 모델과 비교해 은하 외부 유동의 구조와 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어느 CR 운동량 범위가 주로 초기 외부 유동 전면을 주도하고, 후속 지속적인 외부 유동을 주도하는가?
• RQ3 다양한 은하 영역—특히 밀도가 높은 중심부, 디스크, 외부 유동 영역에서 CR 스펙트럼이 얼마나 빨리 정적 상태에 도달하는가?
• RQ4 스펙트럼 냉각은 은하간 매질에서 CR 에너지 분포와 압력 지지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 CR 스펙트럼의 시간적·공간적 변동은 별 형성과 에너지 예산의 전반적 진화에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초기 외부 유동 전면은 평균 운동량 약 200–600 GeV c⁻¹인 CRs에 의해 주로 주도되며, 이들은 빠르게 확산되어 은하외부 매질에 에너지를 효율적으로 부여한다.
• 후속 유동으로서 질량 적재 인자가 약 일차원 수준에 이르는 유동은 주로 평균 운동량 약 8–15 GeV c⁻¹인 낮은 운동량 CRs에 의해 주로 발생한다.
• 은하 중심부의 CR 스펙트럼은 약 1 Gyr 내에 정적 상태에 도달하지만, 외곽 디스크 및 외부 유동 영역에서는 약 2 Gyr의 진화 후에야 정적 상태에 도달한다.
• 이전에 초기 시뮬레이션에서 생략되었던 스펙트럼 냉각을 포함함으로써, CR 에너지 분포에 상당한 변화가 생기며, 중심부에서 저에너지 CR의 지배적 우세도가 감소하고 지니 범위의 CR 비율이 증가한다.
• 스펙트럼 냉각이 없을 경우, 스펙트럼 모델은 CR 압력을 과도하게 추정하여 디스크 두께가 두꺼워지고 별 형성률이 높아지며, 냉각을 포함함으로써 이 오류가 수정된다.
• 수정된 스펙트럼 모델은 강한 저에너지 냉각으로 인해 더 평탄한 CR 스펙트럼을 보이며, 외부 영역에서는 뚜렷한 스펙트럼 피크와 더 강한 시간적 진화를 보이며, 시뮬레이션 후반부에야 비로소 정적 상태에 수렴한다.