[论文解读] Spectrally resolved cosmic rays: II -- Momentum-dependent cosmic ray diffusion drives powerful galactic winds

Philipp Girichidis, Christoph Pfrommer+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 97被引用 49

一句话总结

本文提出了一种具有动量依赖性扩散和谱冷却的光谱分辨宇宙射线（CR）模型，该模型被实现于Arepo移动网格代码中。结果表明，动量约为∼200–600 GeV c⁻¹的CR驱动初始外流前缘，而较低动量的CR（∼8–15 GeV c⁻¹）则维持后续外流，导致质量加载因子达到量级为一的水平——这一结果在灰度CR模型中因冷却和扩散不准确而无法体现。

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.

研究动机与目标

• 为克服灰度宇宙射线（CR）模型的局限性，后者假设谱处于稳态且传输性质均匀。
• 在高度动态的星系模拟中准确建模能量依赖的CR扩散与谱冷却过程。
• 研究光谱分辨CR与灰度模型相比，如何影响星系风的启动、形态及恒星形成。
• 为类似Arepo的移动网格代码开发一种稳定的动量依赖性CR扩散数值算法。
• 量化不同CR动量范围在驱动外流及调控星系演化中的作用。

提出的方法

• 在Arepo移动网格代码中实现光谱分辨CR求解器，追踪每个网格单元中完整的CR动量分布函数。
• 提出一种新的稳定数值算法以实现动量依赖性空间扩散，确保在高度动态区域的收敛性。
• 引入能量依赖性冷却过程，包括电磁冷却与强子冷却，以准确模拟CR能量损失。
• 基于光谱分辨CR分布推导广义绝热指数，以正确将CR压强耦合至气体动力学。
• 将新谱模型与具有有效扩散和冷却的灰度CR模型进行对比，采用相同的初始条件。
• 在晕质量为10¹¹ M⊙的高分辨率星系形成模拟中，隔离光谱分辨率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与灰度模型相比，动量依赖性CR扩散如何改变星系外流的结构与启动过程？
• RQ2 哪些CR动量范围主要负责驱动初始外流前缘及后续持续的外流？
• RQ3 在不同星系区域（尤其是致密中心、盘面与外流区）中，CR谱多快达到稳态？
• RQ4 谱冷却在多大程度上改变了ISM中CR能量分布与压强支持？
• RQ5 CR谱在时间和空间上的变化如何影响恒星形成与能量预算的全局演化？

主要发现

• 初始外流前缘主要由平均动量约为∼200–600 GeV c⁻¹的CR驱动，这些CR扩散迅速，并在星系晕介质中高效沉积能量。
• 后续外流（达到量级为一的质量加载因子）主要由平均动量约为∼8–15 GeV c⁻¹的CR驱动。
• 星系中心的CR谱在约∼1 Gyr内达到稳态，而在外盘与外流区域，稳态仅在约∼2 Gyr演化后实现。
• 引入此前在初始模拟中被忽略的谱冷却过程，显著改变了CR能量分布，减少了中心区域低能CR的主导性，并增加了GeV能段CR的比例。
• 若不包含谱冷却，谱模型会高估CR压强，导致星系盘更厚且恒星形成率更高；而当冷却被引入后，这些偏差得以修正。
• 修正后的谱模型因强低能冷却而呈现更平坦的CR谱，外区表现出显著的谱峰与更强的时间演化特征，仅在模拟后半程趋于稳态。