[论文解读] Constraints on cosmic rays in the Milky Way circumgalactic medium from OVIII observations

Manami Roy, Biman B. Nath|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用 1

一句话总结

本研究通过将OVIII X射线吸收线与包含宇宙射线（CR）热压力抑制的解析流体静力平衡模型——沉淀（PP）和等温（IT）模型——进行对比，约束了银河系晕状介质（CGM）中宇宙射线（CR）压力。结果发现，在PP模型中η ≲10，在IT模型中η ≲6，且随着半径增加CR压力相对于热压力的分布呈下降趋势（η ∝ 1/x），使得中心区域η值可高达≈200，同时在考虑温度涨落的情况下仍与观测一致。

ABSTRACT

We constrain the cosmic ray (CR) population in the circumgalactic medium (CGM) of Milky Way by comparing the observations of absorption lines of OVIII ion with predictions from analytical models of CGM : precipitation (PP) and isothermal (IT) model. For a CGM in hydrostatic equilibrium, the introduction of CR suppresses thermal pressure, and affects the OVIII ion abundance. We explore the allowances given to the ratio of CR pressure to thermal pressure ($ m{P}_{ m{CR}}/ m{P}_{ m{th}}=\eta$), with varying boundary conditions, CGM mass content, photoionization by extragalactic ultraviolet background and temperature fluctuations. We find that the allowed maximum values of $\eta$ are : $\eta\lesssim10$ in the PP model and $\eta\lesssim6$ in the IT model. We also explore the spatial variation of $\eta$ : rising ($\eta=Ax$) or declining ($\eta=A/x$) with radius, where A is the normalization of the profiles. In particular, the models with declining ratio of CR to thermal pressure fare better than those with rising ratio with suitable temperature fluctuation (larger $\sigma_{ m ln T}$ for PP and lower for IT). The declining profiles allow $A\lesssim8$ and $A\lesssim10$ in the case of IT and PP models, respectively, thereby accommodating a large value of $\eta \,(\simeq 200)$ in the central region, but not in the outer regions. These limits, combined with the limits derived from $\gamma$-ray and radio background, can be useful for building models of Milky Way CGM including CR population. However, the larger amount of CR can be packed in cold phase which may be one way to circumvent these constraints.

研究动机与目标

• 利用观测到的OVIII X射线吸收线，约束银河系晕状介质（CGM）中宇宙射线（CR）种群的特性。
• 评估宇宙射线压力（以η = PCR/Pth量化）对CGM中OVIII电离结构和柱密度的影响。
• 测试在不同温度涨落和边界条件下，η的径向分布呈上升或下降趋势的模型是否与观测一致。
• 评估CGM中高宇宙射线压力与现有γ射线和射电背景约束的兼容性。
• 探讨宇宙射线是否可能被优先限制在CGM的冷相中，以规避观测限制。

提出的方法

• 将CGM建模为具有热压力与宇宙射线压力贡献的流体静力多相介质。
• 使用等温（IT）和沉淀（PP）模型的解析解，计算气体密度、温度和电离结构的径向分布。
• 在碰撞电离平衡（CIE）和光致电离（PI）条件下计算OVIII柱密度，同时考虑金属丰度和温度涨落。
• 通过改变宇宙射线与热压力之比（η）及其径向依赖关系（η = Ax 或 η = A/x），寻找与观测到的OVIII柱密度一致的允许范围。
• 将模型预测与X射线观测中获得的OVIII吸收柱密度进行比较，特别是来自钱德拉（Chandra）和XMM-Newton任务的数据。
• 通过对数正态分布（σlnT）引入温度涨落，以评估其对电离平衡和柱密度抑制的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑OVIII X射线吸收观测的前提下，银河系CGM中宇宙射线压力与热压力之比（η）的最大可允许值是多少？
• RQ2 温度涨落如何影响PP和IT模型中对η的约束？
• RQ3 是否可以存在随半径减小的η径向分布（η ∝ 1/x），在保持与观测一致的同时允许更高的中心η值？
• RQ4 光致电离和金属丰度如何影响OVIII柱密度的预测值以及由此得出的η限制？
• RQ5 CGM冷相中存在宇宙射线是否有助于规避对η的推导约束？

主要发现

• 在考虑温度涨落的情况下，沉淀（PP）模型中宇宙射线压力与热压力之比（η）的最大允许值被约束为η ≲10。
• 在等温（IT）模型中，若包含光致电离，则允许η ≲6，但IT模型被认为过于简化，可能无法真实反映CGM的物理机制。
• 与上升的径向分布（η = Ax）相比，η随半径减小的分布（η = A/x）在应用适当的温度涨落（σlnT）后与观测更加一致。
• 对于下降的η分布，IT模型中归一化常数A被约束为A ≲8，PP模型中A被约束为A ≲10，这使得中心区域η值可高达≈200，而不会违反约束条件。
• 约束结果对内CGM区域最为敏感，该区域OVIII吸收最强，且最易受宇宙射线压力抑制的影响。
• 结合γ射线和射电背景约束，结果表明银河系CGM中广泛分布的高η宇宙射线种群可能性较低，但局部或中心集中的宇宙射线种群仍可能成立。