双稳态星际介质中的宇宙线传播。I. 宇宙线俘获的条件

宇宙线(CR)在星系尺度上传播，直至恒星形成的更小尺度。宇宙线与其他星际介质组分接近能量均分，并且若形成压强梯度，可提供对抗重力的支撑。我们研究宇宙线在湍流且磁化的双稳态星际气体中的传播，并确定了宇宙线俘获所需的条件。我们给出了一项数值研究，采用星际气体与宇宙线混合演化的三维模拟，其中湍流由 40 pc 盒内的随机强迫驱动。我们探索了很大的参数空间（宇宙线扩散系数、磁化强度、湍流的驱动尺度和强迫幅度、初始宇宙线能量）。我们确定了星际介质动力学中在宇宙线扩散系数低于临界值时的明显转变，该临界值依赖特征长度尺度 L 为 $D_{\rm crit}\simeq 3.1~10^{23}~{\rm~cm^2/s}~(L/{\rm 1~pc})^{q+1}$，其中指数 q 将湍流速度弥散与长度尺度关联为 $v\simeq L^q$。在我们的模拟中，该转变发生在 $D_{\rm crit}\simeq 10^{24-25}$ cm^2/s 附近。该转变在我们的参数研究所有情形中均被重现，并且与我们的简单解析估计非常吻合。在被俘获的宇宙线 regime 下，诱导的宇宙线压强梯度可改变气体流动，并提供对抗热不稳定发展的支撑。我们讨论了可在星际介质内显著降低宇宙线扩散系数的可能机制。对于扩散系数 $D\leq 10^{25}$ cm^2/s 或宇宙线压强超过热压强 10 倍以上的区域，宇宙线压强梯度可发展并改变热双稳态气体的演化。本研究为进一步包含更真实宇宙线扩散系数以及局部宇宙线源的后续工作提供了基础。