利用星系周介质观测约束宇宙射线输运

近期的理论研究预测，低红移 $\sim L_*$ 星系周围的星系周介质（CGM）可能具有以宇宙射线形式存在的显著非热压力支撑。然而，这些预测对所采用的宇宙射线输运模型十分敏感，而该模型在理论与观测上均缺乏充分约束。在本工作中，我们提出了一种新的观测约束，用于计算径向平均的有效宇宙射线输运速率下限 $\kappa_{\rm min}^{\rm eff}$。在广泛的假设条件下（只要宇宙射线在星系盘中不损失显著比例的能量，无论宇宙射线压力在 CGM 中是否重要），我们证明了 $\kappa_{\rm min}^{\rm eff}$ 与三个可观测的星系属性之间存在明确的关系：总氢柱密度、平均恒星形成率以及气体循环速度。我们使用一套包含多种宇宙射线输运物理的 FIRE-2 星系模拟，证明了我们关于 $\kappa_{\rm min}^{\rm eff}$ 的解析模型是真实宇宙射线输运速率的稳健下限。随后，我们将新模型应用于计算 COS-Halos 样本中星系的 $\kappa_{\rm min}^{\rm eff}$，并证实这已经揭示了强有力的证据，表明在冲击参数大于 $50-100$ kpc 的弥漫 CGM 中，有效输运速率从星际介质向外迅速上升，达到 $\kappa_{\rm min}^{\rm eff}\gtrsim 10^{30-31}\,{\rm cm}^2\,{\rm s}^{-1}$（对应于各向异性 streaming 速度 $v^{\rm stream}_{\rm eff} \gtrsim 1000\,{\rm km}\,{\rm s}^{-1}$）。我们讨论了未来的观测如何能为理解 CGM 与星系际介质中的宇宙射线提供定性上全新的约束。