宇宙射线流体动力学：Alfvén 波调节的宇宙射线输运

星系中的恒星形成似乎受到高能反馈过程的自调节。其中最有前景的反馈媒介之一是宇宙射线，即星际和星系际等离子体中的相对论性离子种群。在这些环境中，高能宇宙射线几乎是无碰撞的，并通过由动力学尺度等离子体波和大规模磁场介导的集体现象进行相互作用。动力学尺度与全局天体物理尺度之间的巨大分离需要使用流体动力学描述。在这里，我们开发了一种新的宏观理论，用于自约束图像中的宇宙射线输运，其中包含宇宙射线扩散和流。宇宙射线与 Alfvén 湍流电磁场之间的相互作用提供了宇宙射线散射的主要来源，并且如果共振波具有足够的能量，会导致宇宙射线以 Alfvén 速度沿磁场流动。然而，数值模拟难以用当前的输运形式捕捉这种效应，并采用正则化方案来确保数值稳定性。我们通过推导沿平均磁场的宇宙射线动量密度方程来扩展该理论，并包含了 Alfvén 波能量的输运方程。我们考虑了宇宙射线和 Alfvén 波通过回旋共振不稳定性进行的能量交换，并包含了其他波阻尼机制。通过数值模拟，我们证明了我们的新理论能够实现稳定的、自调节的宇宙射线输运。该理论与磁流体动力学耦合，守恒总能量和动量，并在稳态通量极限下正确恢复了先前的宏观宇宙射线输运形式。由于它没有可调参数，它有望为星系形成中的宇宙射线反馈提供可预测的模拟。