宇宙丝 filaments 中的能量守恒粒子与高能过程及其天文学意义

大尺度宇宙丝 filaments 将星系、星系团和空洞相连。它们被各种拓扑结构的磁场所遍布。能量可达 $10^{20}\;\!{\rm eV}$ 的宇宙射线可以在与星际形成和活动相关的天体物理环境中产生。这些宇宙射线在丝 filaments 中的命运——这类天体难以在地球上直接观测——鲜有研究。我们采用生态学方法研究丝 filaments 中的能量守恒粒子（宇宙射线）的高能过程，将星系、星系团/超星系团和空洞作为丝生态系统的关键结构。我们推导了用于建模丝与这些结构之间界面现象的模型，并考察了能量守恒宇宙射线质子的传递与命运如何受这些界面磁场的影响。我们考虑了丝中不同的磁场配置，评估了对宇宙射线约束与存活性——特别是发生喇叭化学沙龙相互作用和光-电子成对相互作用——的意义。我们的分析表明，粒子命运取决于其在丝生态系统内的起源位置，丝 filaments 可充当“高速公路”，将宇宙射线输送在星系、星系团和超星系团之间。丝 filaments 也可充当宇宙的“飞灰板”，吸收来自宇宙空洞的能量可达 $10^{18}\;\!{\rm eV}$ 的宇宙射线质子。我们的分析预测在丝和空洞中累积持续数十亿年存在约 $\sim 10^{12}-10^{16}\;\!{\rm eV}$ 能量范围的宇宙射线质子。这些质子通过光-成对或喇叭相互作用几乎不经历显著能量损失，亦无法有效冷却。相反，它们形成宇宙射线化石记录，记录了宇宙能源产生的历史。