Low-energy cosmic rays are the dominant source of ionization for molecular cloud cores. The ionization fraction, in turn, controls the coupling of the magnetic field to the gas and hence the dynamical evolution of the cores. The purpose of this work is to compute the attenuation of the cosmic-ray flux rate in a cloud core taking into account magnetic focusing, magnetic mirroring, and all relevant energy loss processes. We adopt a standard cloud model characterized by a mass-to-flux ratio supercritical by a factor of about 2 to describe the density and magnetic field distribution of a low-mass starless core, and we follow the propagation of cosmic rays through the core along flux tubes enclosing different amount of mass. We then extend our analysis to cores with different mass-to-flux ratios. We find that mirroring always dominates over focusing, implying a reduction of the cosmic-ray ionization rate by a factor of about 2-3 over most of a solar-mass core with respect to the value in the intercloud medium outside the core. For flux tubes enclosing larger masses the reduction factor is smaller, since the field becomes increasingly uniform at larger radii and lower densities. We also find that the cosmic-ray ionization rate is further reduced in clouds with stronger magnetic field, e.g. by a factor of about 4 for a marginally critical cloud. The magnetic field threading molecular cloud cores affects the penetration of low-energy cosmic rays and reduces the ionization rate by a factor 3-4 depending on the position inside the core and the magnetization of the core.
Exploration of Cosmic Ray Acceleration in Protostellar Accretion Shocks and A Model for Ionization Rates in Embedded Protoclusters
我们建立了一个模型，从原恒星吸积冲击宇宙线加速，并计算由此产生的宇宙线电离率在恒星形成的分子云。将原星团模型与解析吸积激波模型耦合，计算了宇宙线从原恒星表面的加速。我们提出了宇宙射线通量谱从keV到GeV的能量为一个典型的低质量原恒星。我们发现，在冲击表面的频谱遵循幂律的趋势，在6个数量级的能量。衰减后，高能量下的光谱变陡，而低能量下的光谱相对平坦。利用相对论质子计算了原恒星表面和核心边缘的宇宙线压力和电离率。我们提出的宇宙射线电离率为个别原恒星作为其瞬时质量和最终质量的函数。在吸积激波表面，原恒星宇宙线电离率为$ζ\approx 0.01 - 1$ s $^{-1}$。然而，在核心的边缘，宇宙射线电离率基本上下降到$ζ\approx 10^{-20}$到$10^{-17}$ s $^{-1}$之间。宇宙射线电离率存在较大的空间梯度，使得内部区域可能经历大于通常假设的基准率$ζ= 3\times10^{-17}$ s $^{-1}$的宇宙射线电离率。最后，我们计算了5个数量级以上的原恒星团的宇宙线电离率。我们发现，超过约200个原恒星的集群产生更高的宇宙射线电离率在其出生的云比基准银河值。
Exclusion of Cosmic Rays in Protoplanetary Disks. II. Chemical Gradients and Observational Signatures
原行星盘的化学性质对它们的电离环境特别敏感。分子气体电离的来源包括宇宙射线、恒星X射线和短寿命的放射性核素，每一种都随圆盘中的位置而变化。这种行为导致了大量的化学结构，特别是在分子离子丰度，这是印在他们的亚毫米旋转线发射。使用一个观测动机的磁盘模型，我们作出预测的依赖性的化学丰度的电离场的假设属性。我们计算出丰富的分子离子和模拟灵敏的观察与阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）的磁盘在D=100 pc的紧急线强度。模型容易区分高电离率（$ζ\gtrsim10^{-17}$ s $^{-1}$ per H $_2$）和更低电离率，但当$ζ\lesssim10^{-19}$ s $^{-1}$时，很难区分低电离率模型。我们发现，\htdp \发射是不可检测的亚星际CR率与ALMA（6小时积分），和\ntdp \发射可能是一个更敏感的示踪剂的中平面电离。HCO $^+$跟踪X射线和高CR率（$ζ_{\rm{CR}}\gtrsim10^{-17}$ s $^{-1}$），并提供了一个热分子电离性质的处理，其中CO存在于气体中。此外，像HCO $^+$这样的物种，从一个宽的径向区域发射，并在温度上有很大的梯度，可以表现出环状发射，这是恒星附近低旋转能级去激发的结果。这一发现突出了一种情况，即环不一定是结构或化学性质，而只是潜在的线激发特性的结果。
Impact of Cosmic-Ray Feedback on Accretion and Chemistry in Circumstellar Disks
我们使用的气体颗粒化学代码UCLCHEM探索宇宙射线反馈的化学拱盘的影响。我们模拟宇宙射线从恒星向外传播时的衰减和能量损失，并考虑恒星辐射和放射性核素引起的电离。对于吸积率典型的年轻恒星，$\dot M_* \sim 10^{-9}-10^{-6}$ M_PDMATHABMN年$^{-1}$，我们表明，宇宙射线加速恒星吸积冲击产生的宇宙射线电离率在磁盘表面$ζ\gtrsim 10^{-15}$ s $^{-1}$，至少一个数量级高于电离率与银河系宇宙射线背景。入射的宇宙射线通量增强了磁盘电离在中间到高表面密度（$Σ> 10$ g cm $^{-2}$），特别是在10 AU的恒星。我们发现，在磁盘表面层的主要离子是C $^+$，S $^+$和Mg $^+$，而H $_3^+$离子占主导地位的表面密度大于1.0 g cm $^{-2}$。我们预测的半径和列密度的磁旋转不稳定性（MRI）是活跃在T金牛座磁盘和宇宙射线反馈的电离扩展的MRI活动区域向磁盘中平面。然而，磁共振成像只有在最小质量太阳星云盘的中平面才是活跃的，如果宇宙射线扩散（$ζ\propto r^{-1}$）远离恒星。加速宇宙射线的吸积、衰减宇宙射线的密集吸积柱和促进吸积的MRI之间的关系，创建了一个介导吸积的宇宙射线反馈回路，并可能产生光度变化。
