超高能粒子与原星系环境的相互作用

我们研究了高能强子粒子（宇宙线质子）与原星系环境中光子与重子物质的相互作用，其中靶光子由星系中形成的第一代恒星和宇宙微波背景提供，而靶重子为星际与环星系介质。我们表明，在粒子能量高于 $10^{19}\;\! {\rm eV}$ 时，电子对产生与光致π介子过程是主导相互作用，而在较低能量下，按照例如星形成星系及我们自身星系星际介质致密区的 $\gamma$ 射线观测预期，${\rm pp}$ 相互作用π介子产生占主导。我们计算了各相互作用通道的程长并确定了相应的能量沉积速率。我们发现原星系磁场及其演化可显著影响宇宙线的能量输运与能量沉积过程。在恒星形成开始后的 1 Myr 内，原星系中的磁场可达到足以将除最高能粒子外的所有粒子束缚于星系内的强度。对于年核心坍缩超新星事件数为 1 的强星形成活动星系，这使宇宙线驱动的原星系自加热速率增强至约 $10^{-24}\;\! {\rm erg} \;\!{\rm cm}^{-3}\;\! {\rm s}^{-1}$。该加热功率甚至超过原星系恒星星族的辐射发射功率。然而，在原星系完全磁化前的短暂窗口期内，高能粒子可自由穿越星系，将能量送入环星系与星系际介质。