各向异性热传导与星系团中的冷却流问题

Accurately simulating anisotropic thermal conduction on a moving mesh

We present a novel implementation of an extremum preserving anisotropic diffusion solver for thermal conduction on the unstructured moving Voronoi mesh of the AREPO code. The method relies on splitting the one-sided facet fluxes into normal and oblique components, with the oblique fluxes being limited such that the total flux is both locally conservative and extremum preserving. The approach makes use of harmonic averaging points and a simple, robust interpolation scheme that works well for strong heterogeneous and anisotropic diffusion problems. Moreover, the required discretisation stencil i…

Thermal Conduction and Multiphase Gas in Cluster Cores

We examine the role of thermal conduction and magnetic fields in cores of galaxy clusters through global simulations of the intracluster medium (ICM). In particular, we study the influence of thermal conduction, both isotropic and anisotropic, on the condensation of multiphase gas in cluster cores. Previous hydrodynamic simulations have shown that cold gas condenses out of the hot ICM in thermal balance only when the ratio of the cooling time ($t_{\rm cool}$) and the free-fall time ($t_{\rm ff}$) is less than $\approx 10$. Since thermal conduction is significant in the ICM and it suppresses lo…

考虑各向异性热传导的团内介质中MHD不稳定性的模拟

Simulations of MHD Instabilities in Intracluster Medium Including Anisotropic Thermal Conduction

为了研究最近发现的热通量浮力不稳定性（HBI）对星系团核心演化的影响，我们对星系团核心的冷却进行了一系列模拟。我们的模型遵循冷却星系团核心的三维磁流体动力学（MHD），并捕获沿磁场线的各向异性热传导的影响，但不考虑星系团的宇宙学背景或活动星系核的存在。我们的模型星系团可以分为三组，根据其最终的物理状态：灾变坍缩核心，等温核心，和一个中间组，其最终状态是由初始配置的磁场。模拟的核心，让人想起真正的集群核心显示演化的热崩溃的时间尺度上延长了约2-10倍的零传导的情况下相比。HBI的主要作用是将场线重新定向为垂直于温度梯度。一旦场被包裹在围绕核心的球形表面上，核心就与进一步的传导加热绝缘（有效热传导被抑制到小于斯皮策值的1/100）并继续塌陷。我们推测，在真正的集群，中央活动星系核和合并可能发挥的作用，“搅拌器”，周期性地破坏方位场结构，并允许热传导偶尔加热的核心。

星系团中的星系运动、Turbulence和传导

Galaxy Motions, Turbulence and Conduction in Clusters of Galaxies

星系团中的非相对辐射冷却导致了过度的质量沉积速率。然而，星系团的冷核由于较小的合并或星系围绕星系团中心运动而被热传导和湍流热扩散持续加热。这些过程可以减少活动星系核加热冷核所需的能量，或者可以完全防止过冷。我们进行3D MHD模拟，包括场对准的热传导和自引力粒子来详细模拟这一点。湍流并不局限于星系的尾流，而是由于大尺度g模的激发而充满体积。我们系统地探讨了星系质量和数量的参数空间。对于广泛的观测动机的星系参数，磁场随机搅拌运动，恢复传导热流的核心。冷却灾难要么没有发生，要么延迟到足以让群集经历一次可能重置群集内介质条件的重大合并。虽然湍流运动的耗散作为热源可以忽略不计，但湍流热扩散是极其重要的;它在星团中心占主导地位。然而，热传导在较大半径处变得重要，并且没有热传导的模拟遭受冷却灾难。传导作为热源和减少稳定浮力都很重要，从而实现更有效的扩散。湍流促成传导，传导促成湍流。在这些模拟中，气体涡度-这是一个很好的指示被困g模式-随着时间的推移而增加。涡量的增长近似地反映了磁场的增长，而磁场的增长又被湍流放大。

摇动和搅动：星系团中的传导和turbulence

Shaken and stirred: conduction and turbulence in clusters of galaxies

星系团中不受约束的辐射冷却将导致与观测相反的过度质量吸积率。抵消辐射能量损失的关键建议之一是从冷核心集群的外部较热层到其中心的热传导。然而，传导对磁场拓扑敏感。在冷核团簇中，热浮力不稳定性（HBI）导致B场优先在垂直于重力的方向上有序，这显著降低了经典Spitzer-Braginskii值以下的传导水平。然而，星团冷核很少处于完美的流体静力平衡。由于微小的合并、星系运动或活动星系核引起的晃动运动会显著地扰动气体并影响热传导的水平。我们进行了三维AMR MHD模拟的影响，湍流的各向异性热传导的性质在冷核心团簇。我们发现，非常弱的亚音速运动，以及在观测的限制，可以随机化的磁场和显着提高有效的热传导超过饱和值预期在纯未扰动的HBI的情况下。我们发现，湍流运动基本上可以恢复到冷核心的传导热流的水平相当于理论上的最大值的1/3斯皮策一个高度纠缠的领域。用辐射冷却的方法对团簇进行了验证，结果表明，可以避免冷却灾难，稳定团簇核心。在临界弗劳德数以上，这些相同的湍流运动还消除了速度和磁场中的切向偏置，否则该切向偏置由被捕获的g模式引起。我们的研究结果可以用未来的无线电极化测量进行测试，并对集群中有效的金属分散产生影响。

冷却、传导、致密天体：耗散自相互作用暗物质晕的引力热演化

Cooling, conduction, compact objects: Gravothermal evolution of dissipative self-interacting dark matter halos

通过独立改变耗散和热传导，系统研究耗散如何改变孤立自相互作用暗物质晕的引力热演化，发现中心冷却可逆转热传导作用，抑制等温核形成，并解释JVAS B1938+666强透镜扰动体性质。

Rhapsody-C simulations -- Anisotropic thermal conduction, black hole physics, and the robustness of massive galaxy cluster scaling relations

We present the Rhapsody-C simulations that extend the Rhapsody-G suite of massive galaxy clusters at the $M_{\rm vir}\sim10^{15}\thinspace{\rm M}_{\odot}$ scale with cosmological magneto-hydrodynamic zoom-in simulations that include anisotropic thermal conduction, modified supermassive black hole (SMBH) feedback, new SMBH seeding and SMBH orbital decay model. These modelling improvements have a dramatic effect on the SMBH growth, star formation and gas depletion in the proto-clusters. We explore the parameter space of the models and report their effect on both star formation and the thermodyna…

通过Cosmic-Ray流传输实现簇冷却流的稳定加热

Stable Heating of Cluster Cooling Flows by Cosmic-Ray Streaming

利用数值模拟方法研究了宇宙射线流对星系团冷核的加热作用。在这个模型中，CRs由中央活动星系核（AGN）注入并随阿尔芬波向外运动。波被流本身激发并变得非线性。如果磁场足够大，由于阿尔芬速度大，CRs可以在整个核心中占主导地位并加热整个核心。我们发现，CR流可以稳定地加热高，低温集群在很长一段时间内没有热传导的帮助下，它可以防止大规模的冷却流的发展。如果存在甚至微小的热传导贡献，则加热可以更稳定。我们讨论了这种稳定性的原因，指出CR压强对团内介质的变化不敏感，加热项的密度依赖性与辐射冷却项的密度依赖性相似。

冷却流团中的磁场：一个批判性观点

Magnetic Fields in Cooling Flow Clusters: A Critical View

在钱德拉和XMM-牛顿的第一个结果出现后不久，该领域的许多研究人员放弃了“冷却流团簇”这个术语，而改用“冷核团簇”这个名称。我认为，这种变化一直在造成损害，因为它促进了这样一种观点，即这些星团中没有实质性的冷却。在这篇文章中，我讨论了以下几点，重点是最后一点，涉及磁场在冷却流团。(1)活动星系核反馈和热气冷却形成恒星都发生在星系形成和冷却流团中。忽略冷却的内部星系团介质，如“冷核”一词所暗示的，并不鼓励比较研究活动星系核反馈冷却流团与星系形成。(2)认为没有冷却的思路可能会导致错误的问题和研究方向。(3)在冷却流团和星系形成过程中的一个关键问题是超大质量黑洞（SMBH）的吸积模式。当冷却被忽略时，只剩下热相的吸积。来自热相的吸积，例如邦迪吸积，遭受一些严重的问题。(4)当人们接受适量的气体正在冷却时，很明显，全球热传导必须得到实质性的抑制。这不利于全局有序的磁场。同时，它也使全球热传导失去吸引力。

星系团各向同性传导的宇宙学模拟

Cosmological Simulations of Isotropic Conduction in Galaxy Clusters

对星系团的模拟很难再现径向气体性质梯度和观测到的存在于星系团核心的红色中心星系。热传导被认为是一种机制，通过稳定调节气体冷却的反馈过程，可以帮助使星团核心的模拟与观测更好地保持一致，但这一想法尚未得到宇宙学数值模拟的充分验证。在这里，我们提出了十个星系团的宇宙学模拟进行了五个不同层次的各向同性斯皮策传导，改变了核心和外围的集群，但不是显着的。在核心中，传导改变了中心温度梯度，使它们接近等温，并略微降低了中心密度，但未能阻止那里的冷却灾难。传导对团簇核心外部的温度梯度几乎没有影响，因为向外的传导热流倾向于使团簇内介质（ICM）的外部膨胀，而不是提高其温度。在一般情况下，传导倾向于降低ICM中的温度不均匀性，但我们的模拟表明，这些热传导效应将是非常难以观察到的~5 keV集群。在维里半径之外，我们的传导实现降低了气体密度和温度，因为它降低了吸积激波的马赫数。我们的结论是，尽管传导改变了星系团的结构，但这些影响都不足以使传导的效率容易测量，除非它的影响在比我们模拟的更热的星系团中更明显。

团簇内导电介质的准稳态双折射

Quasisteady Configurations of Conductive Intracluster Media

冷核星系团的温度、密度和气体熵的径向分布趋于相似，表明它们已经进入准稳态。如果这种状态是由来自活动星系核中心的热传导和反馈的组合来调节的，那么这些径向剖面的特征应该包含活动星系核热输入的空间分布和热传导的相对重要性的信息。本文针对这些问题，推导出稳态解的集群中，辐射冷却，电子热传导，并通过吸积燃料的热反馈都存在，目的是解释冷核心集群的稳态模型的配置。它发现，许多冷核团簇的核心配置的熵水平略低于那些导电平衡的解决方案，其中磁场抑制电子热传导到1/3的完整斯皮策值，这表明AGN反馈时，传导不能再补偿辐射冷却被触发。甚至当反馈是必要的加热中央~30千秒差距，传导可能仍然是最重要的加热机制内的一个集群的中央~100千秒差距。

星系团近核区感生等离子体动力学的二维磁流体动力学模拟

2-D Magnetohydrodynamic Simulations of Induced Plasma Dynamics in the Near-Core Region of a Galaxy Cluster

我们目前的结果，从数值模拟的冷却核心集群A2199产生的二维（2-D）的电阻磁流体动力学（MHD）的代码MH 2。在我们的模拟中，我们探讨了各向异性热传导对系统能量平衡的影响。在2-D轴对称几何的理想情况下的结果强调了ICM模拟中的初始等离子体密度的重要性，特别是近核心的值，因为辐射冷却率是成正比的${n_e}^2$。热传导被发现是无效的，在防止灾难性的冷却在这个集群。此外，我们进行了2-D平面MHD模拟从初始条件故意违反ICM中的热平衡和流体静力平衡，以评估对流项对各向异性热传导系统的能量平衡的贡献。我们发现，在这种情况下，工作所做的压力等离子体可以主导的各向异性热传导的内能在亚音速流的存在下，从而减少了影响的磁场的早期演变。星系团核心附近流体静力平衡的偏离可能与中央活动星系核的瞬态活动和/或ICM中的残余动力学活动有关，并需要进一步的三维研究。

Cosmic ray heating in cool core clusters - I. Diversity of steady state solutions

The absence of large cooling flows in cool core clusters appears to require self-regulated energy feedback by active galactic nuclei (AGNs) but the exact heating mechanism has not yet been identified. Here, we analyse whether a combination of cosmic ray (CR) heating and thermal conduction can offset radiative cooling. To this end, we compile a large sample of 39 cool core clusters and determine steady state solutions of the hydrodynamic equations that are coupled to the CR energy equation. We find solutions that match the observed density and temperature profiles for all our clusters well. Rad…

Turbulence and cooling in galaxy cluster cores

We study the interplay between turbulent heating, mixing, and radiative cooling in an idealized model of cool cluster cores. Active galactic nuclei (AGN) jets are expected to drive turbulence and heat cluster cores. Cooling of the intracluster medium (ICM) and stirring by AGN jets are tightly coupled in a feedback loop. We impose the feedback loop by balancing radiative cooling with turbulent heating. In addition to heating the plasma, turbulence also mixes it, suppressing the formation of cold gas at small scales. In this regard, the effect of turbulence is analogous to thermal conduction. Fo…

利用法拉第旋转探测团簇内介质中的MHD不稳定性

Using Faraday Rotation to Probe MHD Instabilities in Intracluster Media

最近有人提出，传导驱动的磁流体动力学（MHD）不稳定性可能在团内介质（ICM）的所有半径范围内运行，并深刻地影响团簇的磁场结构。当MHD不稳定性主导ICM的动力学时，它们将重新定向磁场线，使其垂直于冷却核心内部的温度梯度，或平行于冷却核心外部的温度梯度。这种磁场的特征结构可以通过测量背景源的偏振无线电发射来探测。出于这种可能性，我们已经构建了三维模型的磁化冷却核心集群和计算法拉第旋转测量（RM）地图在现实的观测条件下的天空平面。我们比较的情况下，磁场几何形状的特点是由传导驱动的MHD不稳定性，它是由各向同性湍流运动。我们发现，未来的高灵敏度光谱偏振测量RM，如将启用扩展的超大阵列和平方公里阵列可以区分这两种情况下合理的曝光时间。这样的观察将测试在动态松弛冷却核心集群的传导驱动的MHD不稳定性的存在。更一般地说，我们的研究结果意味着，法拉第RM的观测应该能够辨别物理机制，导致定性不同的磁场拓扑结构，没有先验知识的过程的性质。

弱碰撞团内介质中的浮力不稳定性

Buoyancy Instabilities in a Weakly Collisional Intracluster Medium

星系团的团内介质是一种弱碰撞的高β等离子体，其中热量和动量的传输主要沿着磁场线进行。各向异性热传导允许对流不稳定性由任一符号的温度梯度驱动，在非等温集群的外围的磁热不稳定性（MTI）和在其冷却核心的热通量浮力驱动的不稳定性（HBI）。我们采用雅典娜MHD代码来研究这些不稳定性的非线性演化，自洽包括各向异性粘性（即Braginskii压力各向异性），各向异性传导和辐射冷却的影响。我们强调了微尺度不稳定性的重要性，不可避免地伴随和调节的HBI和MTI产生的压力各向异性。我们发现，在所有的，但最内部的区域的冷核心集群，各向异性粘度显着削弱的HBI重新定向磁场线正交的温度梯度的能力。因此，虽然射电模式反馈在中心几十kpc中是必要的，但在哈勃时间的很大一部分时间内，传导可能能够抵消大部分冷核心的辐射损失。磁性排列的冷细丝然后能够通过局部热不稳定性形成。在冷暗条形成过程中的粘性耗散会产生伴随的热暗条，这可以在钱德拉对附近冷核星系团的深空观测中找到。在MTI的情况下，各向异性粘度保持磁场线的相干性超过更大的距离比在无粘的情况下，提供了一个自然的下限的规模上，该领域可以自由波动。在非线性状态下，磁场呈现折叠结构，其中场线曲率和场强度是反相关的。