谱分辨宇宙线——III. 动力学影响与环星系介质性质

宇宙线（CRs）通过调节恒星形成和驱动星系外流，对星系的形成与演化具有动力学重要性。然而，宇宙线在多大程度上调节星系形成取决于其与周围等离子体的耦合强度以及沿磁场的有效宇宙线输运速度。此外，这两个性质都敏感依赖于宇宙线动量，而这在三维流体动力学模拟中基本未被探索。我们对质量从 10^{10} 到 10^{12} M_⊙ 的整个星系进行磁流体动力学模拟，并将灰近似下动力学耦合的宇宙线与包含 0.1 GeV c^{-1} 到 100 TeV c^{-1} 宇宙线动量的谱分辨模型进行比较。我们发现宇宙线的强子冷却主导于阿尔文（Alfvén）冷却，后者模拟了宇宙线沿其压力梯度流泻所导致的宇宙线损失。虽然恒星形成率与星系形态仅受谱分辨宇宙线建模的轻微影响，但矮星系中外流的质量负载因子可相差至多四倍。所有模拟的低质量晕（M=10^{10}、10^{11} 与 3×10^{11} M_⊙）都驱动强外流，其中宇宙线输运暂时由平流主导。相反，质量为 M=10^{12} M_⊙ 的银河系质量星系不驱动持续外流，因此宇宙线输运完全由扩散主导。有效能量加权扩散系数在盘内典型的能量加权值 ⟨D⟩_{e_cr}∼10^{28} cm^2 s^{-1} 到环星系介质中的 3×10^{29} cm^2 s^{-1} 之间变化两个数量级，我们在其中观察到灰模型与谱分辨宇宙线模型间存在显著的温度与宇宙线压力差异。