模拟恒星形成星系中的伽马射线发射

恒星形成星系发射 GeV 和 TeV 伽马射线，这些射线被认为源于宇宙射线核与星际介质的强子相互作用。为了理解这种发射，我们使用了移动网格代码 Arepo 执行了具有自洽宇宙射线物理学的磁流体动力学星系形成模拟。我们的星系模型表现出最初的恒星形成爆发，在超新星处注入宇宙射线。一旦宇宙射线在我们的类银河系星系中充分积累，它们的浮力就会克服环向盘场的磁张力。随着磁力线张开，它们使各向异性扩散的宇宙射线逃逸到晕中，并加速形成气泡状的、以宇宙射线为主的流出。然而，由于流出物中的气体密度较低，这些气泡在我们模拟的强子 π 衰变和次级逆康普顿发射的伽马射线图中是不可见的。通过采用恒星形成率与远红外发射之间的唯象关系，并假设伽马射线主要来源于衰变的 π 介子，我们模拟的星系能够重现观测到的远红外与伽马射线发射之间的紧密关系，这与我们是否考虑宇宙射线的各向异性扩散无关。这表明，对活跃宇宙射线传输过程进行建模的不确定性在预测星系的伽马射线发射中仅起次要作用。我们发现，在星暴中，大部分宇宙射线能量以“量热式”损失于强子相互作用。相比之下，由于在低恒星形成率下存在传统单区模型无法识别的绝热损失，伽马射线发射偏离了这种量热特性。