24 pages, 9 figures, accepted for publication in Space Science Reviews, special issue "Clusters of galaxies: beyond the thermal view", Editor J.S. Kaastra, Chapter 7; work done by an international team at the International Space Science Institute (ISSI), Bern, organised by J.S. Kaastra, A.M. Bykov, S. Schindler & J.A.M. Bleeker
Large-scale structure formation, accretion and merging processes, AGN activity produce cosmological gas shocks. The shocks convert a fraction of the energy of gravitationally accelerated flows to internal energy of the gas. Being the main gas-heating agent, cosmological shocks could amplify magnetic fields and accelerate energetic particles via the multi-fluid plasma relaxation processes. We first discuss the basic properties of standard single-fluid shocks. Cosmological plasma shocks are expected to be collisionless. We then review the plasma processes responsible for the microscopic structure of collisionless shocks. A tiny fraction of the particles crossing the shock is injected into the non-thermal energetic component that could get a substantial part of the ram pressure power dissipated at the shock. The energetic particles penetrate deep into the shock upstream producing an extended shock precursor. Scaling relations for postshock ion temperature and entropy as functions of shock velocity in strong collisionless multi-fluid shocks are discussed. We show that the multi-fluid nature of collisionless shocks results in excessive gas compression, energetic particle acceleration, precursor gas heating, magnetic field amplification and non-thermal emission. Multi-fluid shocks provide a reduced gas entropy production and could also modify the observable thermodynamic scaling relations for clusters of galaxies.
Cosmological Shocks in Adaptive Mesh Refinement Simulations and the Acceleration of Cosmic Rays
我们提出了新的结果表征宇宙学冲击自适应网格细化N体/流体动力学模拟，用于预测非热成分的大尺度结构。这是第一次使用自适应网格细化的冲击研究。我们提出了一种改进的算法，用于从unigrid模拟中找到激波，该算法将低马赫数激波的激波频率降低了~3倍。然后，我们将我们的新技术应用于一个大的宇宙学体积（512 Mpc/h）^[3]，研究激波马赫数（M）分布作为激波前温度、密度和红移的函数。由于模拟量很大，我们有极好的统计数据，结果有成千上万的星系团。我们发现，马赫数的演变可以解释为一种方法来可视化大尺度结构的形成。马赫数小于5的激波通常跟踪合并和复杂的流动，而马赫数小于5<<20 and Mach>20的激波通常分别跟踪细丝和星系团的吸积。通过应用一阶费米过程的非线性扩散冲击加速模型的结果，我们计算了转化为宇宙线质子的动能的量。宇宙射线质子的加速度足够大，为了使用星系团作为宇宙学探测器，气体对宇宙射线的动态响应必须包括在未来的数值模拟中。
Shock Waves in Eulerian Cosmological Simulations: Main Properties and Acceleration of Cosmic Rays
本文用ENZO程序的1.0.1版模拟了103 Mpc/h的宇宙体积中的大尺度激波的性质。不同的方法来识别和表征后处理中的冲击一起讨论其不确定性。再电离影响的冲击在模拟中的属性，我们提出了一个拟合过程，以准确地模拟再电离在非辐射模拟的效果，与后处理程序。我们调查的冲击的性质，通过一个程序，它使用跳跃的速度变量在整个细胞的模拟，这使我们能够有一个可行的描述冲击，也在相对较低密度的宇宙区域。我们推导出了激波数和耗散在这些激波上的能量的分布随它们的马赫数的变化，并讨论了这些分布随宇宙学时间和不同宇宙环境（星系团、外围、细丝、空洞）的演化。与以前的一些数值研究（如Ryu et al.2003，Pfrommer et al.2006），相对较弱的冲击被发现占主导地位的过程中的能量耗散在模拟的宇宙体积，虽然我们发现一个较大的比例之间的弱和强的冲击相对于以前的研究。我们估计在大尺度冲击的注入率CR采用注射效率从以前的数值计算。在当前时期，在整个模拟体积内以CR形式耗散的通量约为激波耗散热能的20%;这一比例在星系团内较小。
