可压缩、部分电离等离子体中流动宇宙线的湍流扩散

宇宙线(CRs)是星系星际介质(ISM)中一个动力学上重要的组成部分。携带大部分宇宙线能量和压力的$\sim$GeV宇宙线很可能被自生湍流约束，导致它们以离子阿尔芬速度沿磁场线流动。然而，自约束对星系尺度上宇宙线传播的后果仍然高度不确定。在本文中，我们使用大量的磁流体动力学湍流模拟来量化描述ISM湍流的基本参数——声速马赫数$\mathcal{M}$（等离子体可压缩性）、阿尔芬马赫数$\mathcal{M}_{A0}$（大尺度磁场相对于湍流的强度）以及质量电离分数$\chi$——如何影响流动宇宙线的输运。我们表明，其小尺度运动由沿场线流动组成的宇宙线的大尺度输运可以很好地描述为沿平均场的流动与沿（平行于）和跨越（垂直于）平均场的超扩散的组合；$\mathcal{M}_{A0}$驱动了平行和垂直扩散之间的各向异性水平，$\chi$调节了扩散系数的幅度，而在我们选择的单位制中，$\mathcal{M}$除了在亚阿尔芬($\mathcal{M}_{A0} \lesssim 0.5$)区域外并不重要。我们发现超扩散普遍存在，这可能解释了从单个源附近测量推断的宇宙线扩散系数与在更大星系尺度上测量的系数之间的明显差异。最后，我们给出了扩散系数作为等离子体参数函数的经验拟合公式，这些公式可用作全球星际介质、星系或宇宙学模拟的子网格方法。