宇宙射线阻力与压缩湍流的阻尼

尽管众所周知宇宙射线（CRs）可通过二阶费米加速从湍流中获取能量，但这种能量转移如何影响湍流级联仍基本未被探索。在此，我们表明，一旦阻尼时间 $t_{\rm damp} \sim \rho v^{2}/\dot{E}_{\rm CR} \propto E_{\rm CR}^{-1}$ 与湍流级联时间相当，压缩湍流功率谱的阻尼与变陡便会发生。具有扩散 CR 传输的气态-CR 流体中受搅动压缩湍流的磁流体力学（MHD）模拟显示出 CR 诱导阻尼的清晰印记，并在 $\dot{E}_{\rm CR} \sim \tilde{\epsilon}$ 处饱和，其中 $\tilde{\epsilon}$ 为湍流能量输入率。在该情形下，大尺度运动中的几乎所有能量都被 CRs 吸收，并未级联到网格尺度。通过 Hodge-Helmholtz 分解，我们确认纯压缩驱动可产生显著的螺线管运动，并发现具有扩散和流驱动的模拟中 CR 对压缩分量有优先阻尼，使小尺度湍流大体呈螺线管性，这对热不稳定性及所提出的 $E > 300$ GeV CRs 被快模共振散射具有启示。当 CR 传输以流驱动为主时，CRs 同样阻尼大尺度运动，在现实的 $E_{\rm CR} \sim E_{\rm g}$ 情形下动能可降低达一个数量级，但湍流（振幅减小）仍以前相同的功率谱级联至小尺度。这种大尺度阻尼意味着，由观测速度弥散得到的湍流速度可能严重低估湍流驱动力率，即 $\tilde{\epsilon} \gg \rho v^{3}/L$。