多相星际介质中的有效宇宙射线扩散

宇宙射线（CR）反馈广泛被认为是星系形成的关键调节因素。CR 在超新星残骸冲击后被加速后，通过星际介质（ISM）传播，建立平滑的大尺度分布并驱动星系外流。这种反馈效率取决于 CR Population 的有效传输速度，而后者取决于 CR 驱动的等离子体不稳定性与波衰减过程之间的竞争，这些过程随 ISM 相位而强烈变化。在冷、密集气体中，离子-中性衰减占主导；而在温、稀疏环境中，较弱的非线性 Landau 衰减占优势，导致 CR 散射增强、传输减慢。为考察这些效应，我们采用移动网格代码 Arepo，并在多相 ISM 框架 Crisp 中对 CR 进行建模，通过自洽计算 CR 扩散系数和传输速度。CR 的本征扩散系数取决于 CR 与 Alfv\'en 波的散射率，涵盖 15 个数量级。相比之下，我们表明有效 CR 扩散系数——即量化 CR 通过 ISM 的传播速度——趋近于规范范围 $10^{28}$-$10^{29}$ cm$^2$ s$^{-1}$。仅包含 Landau 衰减的模拟，其传输速率比同时包含 Landau 和离子-中性衰减的模型慢约一个数量级。总体而言，CR 传输速度随气体密度系统性增加，我们提供了有效 CR 扩散系数的气体密度相关拟合函数。我们证明，尽管在星系盘的冷、暖相位存在强烈离子-中性衰减，CR 仍可以仅为当地 Alfv\'en 速度几倍的速度通过交替的 ISM 相位向外传播。