等温亚声速湍流中宇宙射线与等离子体的耦合作用：针对磁化星际介质

宇宙射线 (CRs) 是星际介质 (ISM) 中非热力学压力预算的重要组成部分，也是冷分子云中主要的电离机制。我们研究了不同微观 CR 扩散系数和流动速度对等温、磁化、湍流等离子体演化的影响，这些等离子体与冷 ISM 相关。我们利用一个两时刻 CR 磁力学 (CRMHD) 模型，使我们能够动态演化 CR 能量和通量密度，包括阿尔法én 式流动和各向异性扩散的贡献。我们确定了“耦合”和“解耦”两个体制，并定义了无量纲 Prandtl 数 $\rm{Pm_c}$ 和 $\rm{Pm_s}$，用于量化等离子体是否落入这两个体制之中。在耦合体制下——特征为慢速流动 ($\rm{Pm_s} < 1$) 和低扩散 ($\rm{Pm_c} < 1$)——CR 流体对等离子体施加了介于 $P_{\rm{c}} \propto \rho^{4/3}$（相对论流体）和 $P_{\rm{c}} \propto \rho^{2/3}$（流动）之间的混合方程状态，其中 $P_{\rm{c}}$ 为 CR 压力，$\rho$ 为等离子体密度。通过修改声速，耦合作用降低了湍流马赫数，从而降低了密度涨落的�幅，同时支持 CR 流体的持续加热。相反，在解耦体制下 ($\rm{Pm_s} > 1$ 或 $\rm{Pm_c} > 1$)，CR 流体和等离子体之间几乎没有相互作用。我们进一步展示了 CR 加热是通过压缩速度场中的相干结构实现的，对于不可压缩模式的湍流谱没有影响。