[论文解读] Cosmic ray feedback in galaxies and galaxy clusters -- A pedagogical introduction and a topical review of the acceleration, transport, observables, and dynamical impact of cosmic rays

Mateusz Ruszkowski, Christoph Pfrommer|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2023

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文对星系及星系团中的宇宙射线（CR）反馈提供了全面的教学性综述，涵盖宇宙射线在星际、星系晕及星系团内介质中的加速、输运及其动力学影响。研究证明，宇宙射线可驱动星系风，加热星系团内介质，并解决冷却流问题，其关键机制包括宇宙射线的流动、波阻尼及自约束效应，这些过程在多尺度天体物理环境中发挥重要作用。

ABSTRACT

Understanding the physical mechanisms that control galaxy formation is a fundamental challenge in contemporary astrophysics. Recent advances in the field of astrophysical feedback strongly suggest that cosmic rays (CRs) may be crucially important for our understanding of cosmological galaxy formation and evolution. The appealing features of CRs are their relatively long cooling times and relatively strong dynamical coupling to the gas. In galaxies, CRs can be close to equipartition with the thermal, magnetic, and turbulent energy density in the interstellar medium, and can be dynamically very important in driving large-scale galactic winds. Similarly, CRs may provide a significant contribution to the pressure in the circumgalactic medium. In galaxy clusters, CRs may play a key role in addressing the classic cooling flow problem by facilitating efficient heating of the intracluster medium and preventing excessive star formation. Overall, the underlying physics of CR interactions with plasmas exhibit broad parallels across the entire range of scales characteristic of the interstellar, circumgalactic, and intracluster media. Here we present a review of the state-of-the-art of this field and provide a pedagogical introduction to cosmic ray plasma physics, including the physics of wave-particle interactions, acceleration processes, CR spatial and spectral transport, and important cooling processes. The field is ripe for discovery and will remain the subject of intense theoretical, computational, and observational research over the next decade with profound implications for the interpretation of the observations of stellar and supermassive black hole feedback spanning the entire width of the electromagnetic spectrum and multi-messenger data.

研究动机与目标

• 为星系与星系团形成领域的研究人员提供宇宙射线等离子体物理的入门教学性介绍。
• 整合当前对宇宙射线加速、输运及冷却过程的理解，覆盖从星际介质到星系团的多尺度研究。
• 评估宇宙射线对星系风、星系晕（CGM）热力学及星系团内介质（ICM）加热的动力学影响。
• 识别在宇宙学模拟与多信使数据解释中建模宇宙射线反馈所面临的理论与观测挑战。
• 通过指出宇宙射线输运、散射及能量沉积机制中尚未解决的关键问题，为未来研究提供指引。

提出的方法

• 基于一阶与二阶矩流体动力学，发展宇宙射线输运的理论框架，整合流动与扩散过程。
• 应用宇宙射线能量与熵方法，模拟磁化等离子体中的空间与能谱输运。
• 结合波粒相互作用与流动不稳定性，模拟宇宙射线的自约束及湍流介质中阿尔芬波的阻尼。
• 利用半解析与数值模型模拟银河系中宇宙射线的传播，包括停留时间与B/C比值。
• 采用MHD模拟演化星系，以模拟盘状区域与分层盒体中活跃的宇宙射线输运及风的形成。
• 分析来自费米、X射线、射电与SZ巡天的观测数据，以约束星系晕与星系团内介质中宇宙射线的输运与反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 在孤立星系与宇宙学星系模型中，宇宙射线如何影响星系风的形成与维持？
• RQ2 宇宙射线在多大程度上可加热星系团内介质，并解决星系团核心区域的冷却流问题？
• RQ3 在星系晕与星系团内介质中，宇宙射线的主要输运机制是什么？它们如何影响可观测信号？
• RQ4 由宇宙射线驱动的不稳定性（如帕克不稳定性）如何影响星系与星系团晕的结构与动力学？
• RQ5 宇宙射线在早期宇宙中扮演何种角色，特别是在再电离时期促进分子氢形成与恒星形成方面？

主要发现

• 宇宙射线在星际介质中可接近与热能、磁场能及湍流能的等能量分配，使其在驱动星系风方面具有显著的动力学作用。
• 宇宙射线流动与波阻尼可高效加热星系团内介质，可能抵消辐射冷却效应，从而解决星系团核心区域的冷却流问题。
• 来自B/C比值与伽马射线发射的观测约束表明，银河系中宇宙射线的输运受湍流与磁场结构影响，其散射速率可能低于准线性理论预测。
• 模拟显示，宇宙射线反馈可显著改变星系晕的热力学与运动学特性，对X射线与谱线发射诊断产生可观测影响。
• 在大质量晕中，活动星系核注入的宇宙射线可通过激发阿尔芬波加热星系晕与星系团内介质，其能量沉积速率与其他加热机制相当。
• 星系晕中宇宙射线与磁场的相互作用可抑制热不稳定性增长，并改变晕的相结构，对多波段观测具有重要意义。