[论文解读] Whistler-regulated Magnetohydrodynamics: Transport Equations for Electron Thermal Conduction in the High-β Intracluster Medium of Galaxy Clusters

JF Drake, Christoph Pfrommer+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文通过结合自激产生的旋磁波散射与经典碰撞，推导出高β星系团内介质（ICM）中电子热传导的输运方程。结果表明，当经典平均自由程超过温度标长除以βₑ时，旋磁波主导电子热输运，导致对流-扩散通量共同作用，抑制热通量并稳定对流与热不稳定性。

ABSTRACT

Transport equations for electron thermal energy in the high-β e intracluster medium (ICM) are developed that include scattering from both classical collisions and self-generated whistler waves. The calculation employs an expansion of the kinetic electron equation along the ambient magnetic field in the limit of strong scattering and assumes whistler waves with low phase speeds V w ∼ v te /β e ≪ v te dominate the turbulent spectrum, with v te the electron thermal speed and β e ≫ 1 the ratio of electron thermal to magnetic pressure. We find: (1) temperature-gradient-driven whistlers dominate classical scattering when L c > L/β e , with L c the classical electron mean free path and L the electron temperature scale length, and (2) in the whistler-dominated regime the electron thermal flux is controlled by both advection at V w and a comparable diffusive term. The findings suggest whistlers limit electron heat flux over large regions of the ICM, including locations unstable to isobaric condensation. Consequences include: (1) the Field length decreases, extending the domain of thermal instability to smaller length scales, (2) the heat flux temperature dependence changes from Te7/2/L to VwnTe∼Te1/2 , (3) the magneto-thermal- and heat-flux-driven buoyancy instabilities are impaired or completely inhibited, and (4) sound waves in the ICM propagate greater distances, as inferred from observations. This description of thermal transport can be used in macroscale ICM models.

研究动机与目标

• 建立电子热传导的模型，适用于电子热压力超过磁压的高β星系团内介质（ICM）。
• 研究相速度较低的自激旋磁波如何影响电子散射与热输运。
• 确定旋磁波散射主导经典碰撞散射的条件。
• 评估旋磁波调控输运对ICM中热不稳定性与对流不稳定性的影响。
• 为大规模ICM模拟提供宏观输运框架。

提出的方法

• 在强散射极限下，沿背景磁场方向展开电子动力学方程。
• 假设相速度满足Vw ≈ vte / βe ≪ vte的旋磁波主导湍流谱。
• 推导同时包含经典碰撞散射与旋磁波介导散射的输运方程。
• 将电子热通量分析为以Vw速度的对流项与与旋磁波速度成正比的扩散项的组合。
• 应用推导的输运定律，评估其对热不稳定性、热通量标度与波传播的影响。
• 将所得热通量对温度与标长的依赖关系与经典Spitzer-Harm预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高β ICM中，何种条件下旋磁波主导电子散射而非经典碰撞？
• RQ2 旋磁波调控的热输运如何改变电子热通量对温度与标长的标度关系？
• RQ3 旋磁波介导的输运对ICM中热不稳定性与对流不稳定性的发生与增长有何影响？
• RQ4 旋磁波调控的热通量如何影响ICM中声波的传播？
• RQ5 所推导的输运方程能否可靠地用于ICM的大尺度模型？

主要发现

• 当经典平均自由程Lc超过L/βe时，旋磁波主导电子散射，其中L为电子温度标长。
• 在旋磁波主导的区域，电子热通量由以旋磁波相速度Vw的对流项与相当量级的扩散项共同决定。
• 由于旋磁波抑制了热通量，Field长度减小，导致热不稳定性区域扩展至更小尺度。
• 热通量的温度依赖性从经典区域的Te⁷/²/L变为旋磁波调控区域的∼VwnTe ≈ Te¹/²。
• 磁热不稳定性与热通量驱动的对流不稳定性因热通量各向异性降低而受到抑制或完全抑制。
• 由于旋磁波调控降低了热扩散，ICM中的声波传播距离更远，与观测证据一致。