基于多尺度动理学模拟的宇宙线输运系数第一性原理表征

在理解银河系内外宇宙线（CRs）的输运与反馈时，一个主要的不确定性在于未知的宇宙线散射率，其主要由微观回旋共振尺度上的波粒相互作用决定。对于大部分宇宙线群体，波的来源被认为是宇宙线流不稳定性（CRSI）自驱动的，该不稳定性源于宇宙线沿宇宙线压力梯度的下行流动。尽管预期由 CRSI 的驱动与波阻尼之间的平衡将决定波幅从而决定宇宙线散射率，但该问题涉及显著的尺度分离，并基于准线性理论（QLT）存在 substantial 模糊性。在此我们提出一种新颖的“流盒”框架，在施加宇宙线压力梯度下研究 CRSI，从而能够作为环境参数的函数对宇宙线散射率进行第一性原理测量。通过采用带离子-中性阻尼的磁流体-粒子在胞（MHD-PIC）方法，我们开展了一系列具有不同分辨率和宇宙线压力梯度的模拟，并精确测量了稳态下产生的宇宙线散射率。测得的速率显示出与 QLT 一致的标度，但其归一化比基于宇宙线单流体处理的典型估计小若干倍。按动量逐个处理在动量积分上给出更好估计，但在小动量处仍存在显著偏差。因此，我们的框架为广泛天体物理背景下的宇宙线输运与反馈宏观研究提供全面子网格物理开辟了道路。