在宇宙平滑粒子流体模拟中探测冲击波

我们发展了用于识别和准确估计宇宙平滑粒子流体模拟中结构形成冲击波强度的形式化方法。冲击波不仅在 virialising 结构中气体的热化中发挥决定性作用, 也通过扩散性冲击加速对相对性宇宙射线 (CRs) 的加速起重要作用。我们的形式化方法同时适用于普通非相对论热气体和由 CRs 与热气体组成的等离子体。为此, 我们推导了用于由 CRs 与热气体组成的复合等离子体的一维 Riemann 冲击管问题的解析解。我们将方法应用于研究 LCDM 模型中高分辨率流体模拟中结构形成冲击波的性质。我们发现, 能量消耗主要发生在 Mach 数 M~2 的弱内部冲击波中, 这些冲击波主要是中心流动冲击波或穿越 halo 中心的合并冲击波。坍缩的宇宙结构被外部冲击波环绕, 这些冲击波的 Mach 数可达 M~1000, 但在热化能量平衡中扮演次要角色。我们指出, 在宇宙加热后, Mach 数分布显著改变, 由于声速提高, 对强外部冲击波的高效抑制起主导作用。我们指出, 当采用 CR 加速模型时, 负责 CR 能量注入的冲击波平均强度高于占热化作用的冲击波。结合辐射耗散和星形成, 我们的形式化方法还可用于研究超新星冲击波导致的 CR 注入, 或构建冲击诱导星际介质中星形成的模型。