宇宙结构形成计算中的宇宙射线物理
天体物理学
2009-11-11 v2
摘要
宇宙射线 (CRs) 在我们银河系中发挥决定性作用。它们提供了对引力的部分压力支撑, 追踪超新星等能量事件, 并通过其相互作用揭示了质子物质分布的底层结构。为了研究 CRs 对星系和宇宙结构形成与演化的影响, 我们发展了一个近似框架用于在宇宙模拟中处理 CRs 的动力学和辐射效应。我们的指导原则是尽可能捕捉 CRs 群系的尽可能多的物理特性, 同时要求额外的计算资源尽可能少。我们将每个流体单元的 CR 谱近似为单一幂律, 其正规化、低能截止和谱指数随空间和时间变化。采用质量、能量和压力守恒原理, 我们推导了描述 CR 谱基本变量演化方程, 既包括绝热过程也包括非绝热过程。所考虑的过程包括压缩和稀释、由超新星残留物冲击波注入的 CR 注入、结构形成冲击波中的注入、CR 的原位再加速、CR 的扩散、CR 因库仑相互作用导致的能量损失、离子化损失、布拉姆斯拉施损失, 以及与背景气体的厦性相互作用, 包括随后由 subsequent pion 衰变产生的伽玛射线和射电辐射。我们指出, 在 CR 注入与冷却平衡的稳态条件下, 该形式化方法能以约 10% 的精度再现 CR 能量密度、压力和冷却速率。因此, 该框架非常适合纳入星系和结构形成的数值模拟方案。
引用
@article{arxiv.astro-ph/0603484,
title = {Cosmic ray physics in calculations of cosmological structure formation},
author = {Torsten A. Ensslin and Christoph Pfrommer and Volker Springel and Martin Jubelgas},
journal= {arXiv preprint arXiv:astro-ph/0603484},
year = {2009}
}
备注
accepted by A&A (in press), 18 pages, 6 figures