Cosmic-ray Driven Outflows in Global Galaxy Disk Models
星系风是大质量星系的一个普遍特征，在很宽的红移范围内具有高的恒星形成率。尽管它们很重要，但对这些大规模全球流动的驱动力的详细物理理解仍然难以捉摸。在本文中，我们探索的动力学影响的宇宙射线进行第一个三维的，自适应网格细化模拟一个孤立的星爆星系，其中包括一个基本模型的生产，动力学和扩散的银河系宇宙射线。我们发现，包括宇宙射线自然会导致我们的10^12 Msun晕的强大的，大规模的，双极流出，与我们的基准运行的质量加载因子Mout/SFR = 0.3。其他合理的参数选择导致质量加载因子高于1。风是多相的，并且被加速到远远超过逃逸速度的速度。我们采用一个双流体模型的热气体和相对论CR等离子体和模型的物理范围相关的星系形成，包括辐射冷却，冲击，自引力，恒星形成，超新星反馈到热和CR气体，和各向同性CR扩散。将宇宙射线注入恒星形成区域可以为星际介质提供显著的压力支持，抑制恒星形成并增厚圆盘。我们发现，CR扩散在驱动超级风中起着核心作用，快速将长寿命的CR从磁盘的最高密度区域转移到ISM，在那里它们的压力梯度可以顺利地加速气体从磁盘中出来。
2013-07-23 astro-ph.CO
A connection between star formation activity and cosmic rays in the starburst galaxy M 82
虽然银河系的宇宙射线（质子和原子核）被广泛认为主要是由大质量恒星的恒星风和超新星加速的，但在它们被发现近一个世纪后，这种起源的确切证据仍然难以捉摸[1]。星暴星系的活动区域有着非常高的恒星形成率，它们的大尺寸是类似银河系区域直径的50倍以上，这使得对它们潜在的高宇宙射线密度进行可靠的量热测量成为可能[2]。在大质量恒星的形成、生命和死亡过程中产生的宇宙射线预计最终会通过与星际气体和辐射的相互作用产生弥散的伽马射线辐射。M 82是一个小型星暴星系的原型，被预测为伽马射线中最亮的星暴星系[3，4]。在这里，我们报告的检测>700 GeV的伽马射线从M 82。从这些数据中，我们确定了M 82星暴核心的宇宙射线密度为250 eV cm-3，约为银河系平均密度的500倍。这一结果有力地支持了宇宙射线加速与恒星形成活动有关的观点，以及超新星和恒星风是主要的加速器。
2009-11-04 astro-ph.CO
Buoyancy Instabilities in Galaxy Clusters: Convection Due to Adiabatic Cosmic Rays and Anisotropic Thermal Conduction
使用线性稳定性分析和二维和三维的非线性模拟，我们研究的物理浮力不稳定性相结合的热和相对论性（宇宙射线）等离子体，激发的应用程序的星系团。我们认为，宇宙射线的扩散很可能是缓慢的浮力时间相比，在大的长度尺度，使宇宙射线是有效的绝热。如果宇宙线压力$p_{cr}$是热压力的$\gtrsim 25 %$，并且宇宙线熵（$p_{\rm cr}/ρ^{4/3}$; $ρ$是热等离子体密度）向外减小，则宇宙射线驱动类似于恒星中史瓦西对流的绝热对流不稳定性。星系团核心的全球模拟显示，这种不稳定性通过降低宇宙射线熵梯度和驱动有效的对流和湍流混合而饱和。在团核较大半径处，热等离子体不稳定于热通量驱动的浮力不稳定性（HBI）、各向异性热传导产生的对流不稳定性和背景热传导通量。宇宙射线驱动的对流和HBI可能有助于重新分配1a型超新星在星团中产生的金属。我们的计算表明，绝热模拟的星系团可以人为地抑制热等离子体和相对论等离子体的混合;各向异性热传导允许更有效的混合，这可能有助于宇宙射线分布在整个集群体积。
2009-01-30 astro-ph.CO astro-ph.HE
New results from H.E.S.S. observations of galaxy clusters
星系团被认为含有大量的宇宙射线。从无线电和可能的硬X射线波段可以知道，星团是宇宙中空间上最广泛的非热辐射发射体。由于它们含有宇宙射线，星系团也是VHE（>100 GeV）伽马射线的潜在来源。最近，H.E.S.S.观测到了附近的大质量星系团Abell 85。作为正在进行的活动的一部分，在VHE伽马射线中进行非常深的暴露实验。在星团的位置没有发现明显的伽马射线信号。没有探测到这个物体限制了这个系统中宇宙射线的总能量。对于-2.1的宇宙射线的硬谱指数，并且如果宇宙射线能量密度遵循大尺度气体密度分布，则这些非热粒子中的能量相对于团簇内介质的总热能的分数的限制对于该特定团簇为8%。此值处于模型预测的下限。
2009-07-17 astro-ph.CO astro-ph.HE
Non-thermal Emissions from Cool Cores Heated by Cosmic-Rays in Galaxy Clusters
我们研究星系团冷核的非热辐射。我们采用了一个最近的模型，其中宇宙射线（CR）占主导地位的核心和稳定加热他们通过CR流。非热辐射来自CR质子与团内介质（ICM）的相互作用。理论预测和射电观测的比较表明，总的CR谱必须是陡峭的，在核心的CR的大部分是低能CR。假设CR是通过活动星系核活动注入的，我们研究的冲击，负责CR加速的性质。陡峭的CR谱可能反映了这样一个事实，即冲击波在热ICM中传播时具有相当小的M数。我们还研究了CR流速度的依赖性。结果表明，同步辐射的次级电子应观察到的核心无线电小晕。特别是，低频观测（如LOFAR）是有希望的。另一方面，光谱的陡度使得很难检测到来自核心的非热X射线和伽马射线发射。低能量CR可以是在芯中观察到的加热光学细丝。
2011-11-17 astro-ph.CO astro-ph.HE
The Cosmic Large-Scale Structure in X-rays (CLASSIX) Cluster Survey III: The Perseus-Pisces supercluster and the Southern Great Wall as traced by X-ray luminous galaxy clusters
英仙座-双鱼座超星系团被认为是附近宇宙中最大的结构之一，它已经被星系和星系团分布所绘制。对于后者，大多数集群从阿贝尔目录已被使用。在这里，我们采取了一种新的方法来定量表征英仙座双鱼座超星系团使用统计上完整的样本X射线发光星系团和集群从我们的CLASSIX星系团红移调查。我们使用朋友的朋友技术来构建超级集群成员。我们还研究了南长城的结构，它与英仙座-双鱼座超星系团合并，朋友的朋友链接长度略有增加。本文讨论了超星系团的几何结构，比较了超星系团成员和周围环境的X射线光度分布，并给出了超星系团质量的估计。这些结果确立了英仙座-双鱼座在红移z <= 0.03时是宇宙中最大的超结构。根据新的数据，这个超星系团延伸穿过回避区，这也被一些通过HI观测进行的星系分布研究所表明。我们研究了X射线中成员群和团簇的形状是否与超团簇的长轴对齐。除了英仙座和AWM 7的椭圆度外，我们没有发现明显对齐的证据，它们与两个系统的分离矢量对齐，与超星系团的关系很弱。
2021-05-28 astro-ph.CO astro-ph.GA
Resistive Heating Induced by Streaming Cosmic Rays Around a Galaxy in the Early Universe
研究早期宇宙高红移星系周围流式宇宙射线的电阻加热，发现其在近星系区域主导加热，并削弱所产生磁场，且可经由21厘米信号检验。
2023-02-14 astro-ph.CO astro-ph.HE
Turbulence, Reconnection and Cosmic Rays in Galaxy Clusters
近年来，我们对磁湍流和磁重联的理解发生了重大变化，这反过来又使我们对宇宙射线扩散和加速有了更好的理解。目前的磁化湍流模型不再是特别的结构，而是经过数值检验的理论。在这篇简短的评论中，我们总结了会议上两次演讲中提出的主题，并简要介绍了这一广阔而迅速发展的领域。本文讨论了湍流如何降低星系团中无碰撞等离子体中粒子的有效平均自由程，并指出这使得MHD湍流描述适用于更宽的尺度范围。讨论了MHD湍流的性质及其与磁重联的关系。最后，我们综述了湍流如何通过二阶费米过程诱导粒子加速，以及湍流如何影响激波和重联区的一阶费米加速。
2011-08-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Cosmic ray transport in galaxy clusters: implications for radio halos and gamma-rays
对巨型射电晕的观测为星系团中宇宙线（CR）电子和磁场的存在提供了明确的证据。产生射电晕的物理机制仍有很大争议。我们批判性地讨论了无线电晕发射提出的模型，并强调每个解释的弱点。我们提出了一个想法，如何CR传播和湍流平流的相互作用选择一个双峰的空间CR分布的集群的动力学状态的特征。因此，相对于具有非常亚音速湍流的松弛簇，强烈湍流的合并簇应该具有更集中的CR能量密度分布。这转化为双峰的预期扩散无线电和伽马射线发射的集群。因此，所观察到的双峰集群无线电晕似乎是一个自然的后果CR运输过程的相互作用，独立的无线电晕形成的模型，无论是强子相互作用的CR质子或再加速的低能量CR电子。
2011-09-27 astro-ph.CO astro-ph.HE
Gamma rays and neutrinos from dark matter annihilation in galaxy clusters
研究了星系团中暗物质湮灭产生的$γ$射线和中微子辐射.在Fermi-LAT运行约一年后，观测到几个具有严格GeV $γ$射线发射上限的星系团。我们使用这些集群的费米-LAT上限来约束DM模型参数。我们发现，在冷DM（CDM）方案中预测的分布有子结构的DM模型受到Fermi-LAT $γ$射线数据的强烈约束。特别是对于可能解释PAMELA/Fermi-LAT/HESS发现的$e^{\pm}$过剩的轻子湮灭情形，对子结构最小质量的约束是$10^2-10^3$ M $_{\odot}$水平，这比CDM图中预期的要大得多，但与暖DM情形一致.我们进一步研究了IceCube探测团簇中微子的灵敏度。发现中微子探测比$γ$ -射线探测困难得多。只有对于非常重的DM（$\sim 10$ TeV）和相当大的线中微子分支比，中微子灵敏度才能与$γ$射线的灵敏度相媲美。
2010-06-22 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Manufacturing cosmic rays in the evolving dynamical states of galaxy clusters
星系团被认为是宇宙射线（CR）的储存库，这是从理论计算或对CR衍生观测值的探测中推断出来的。星系团中的CR加速主要归因于产生激波的动力学活动。集群中的冲击来自于合并或增生，但哪一个在产生CR方面更有效？在哪个动力学阶段？为什么呢？为此，我们研究的生产或注入的CR通过冲击和它的演化在星系团使用宇宙学模拟与{ \sc enzo}代码。粒子加速模型主要考虑热粒子的扩散冲击加速（DSA），但我们也报告了一个初步的研究与预先存在的CR。定义适当的动力学状态使用维里化的概念，我们研究了合并和非合并集群的样本。我们报告说，合并冲击（与马赫数$\mathcal{M}\sim2-5$）是最有效的CR生产者，而高马赫外围冲击（即$\mathcal{M}>5$）主要负责CR注入集群中的最亮相。集群一旦合并，永久偏离CR和X射线质量缩放的非合并系统，使我们能够使用它作为一种工具，以确定合并的状态。通过时间和空间演化研究，我们发现集群合并动力学和CR注入之间有很强的相关性。我们观察到X射线和CR注入的最亮相分别出现在每次合并后的1.0和1.5 Gyr附近，CR注入峰值在团簇维里半径（即$r_{200}$）附近。延迟CR注入峰在这项研究中发现值得进一步研究的可能影响CR派生观测量的演化从星系团。
2019-06-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Gamma Rays from Star Formation in Clusters of Galaxies
星系中的恒星形成被观察到与伽马射线发射有关。费米大天区望远镜（LAT）对恒星形成星系的伽马射线的探测，使得可以确定恒星形成速率和伽马射线光度之间的函数关系（Ackermann et. 2012）。由于已知恒星的形成与总红外（8-1000微米）和射电（1.4 GHz）光度成比例，因此观测到的恒星形成星系的红外和射电辐射可以用来定量推断星系的伽马射线光度。类似地，在星系团内的恒星形成星系使我们能够推导出星系团伽马射线发射的下限，这在伽马射线中还没有被最终检测到。在这项研究中，我们应用阿克曼等伽马射线光度和无线电和红外光度之间的关系。al. 2012到Ackermann et.的星系团样本。2010年，以便对与星系团中恒星形成有关的伽马射线发射设定下限。我们发现，有几个集群预测的伽马射线发射的下限是在阿克曼等的上限的数量级内。2010年，基于Fermi-LAT未检测到。考虑到目前的伽马射线极限，恒星的形成可能在某些星团的伽马射线发射中起着重要作用，特别是那些具有冷核心的星团。我们预测，无论是费米-LAT在其生命周期的过程中，未来的切伦科夫望远镜阵列将能够检测到伽马射线发射的恒星形成星系的集群。
2012-06-21 astro-ph.CO astro-ph.HE
Galaxy Clusters as Reservoirs of Heavy Dark Matter and High-Energy Cosmic Rays: Constraints from Neutrino Observations
星系团（GC）是暗物质和宇宙射线（CR）的最大储存库。暗物质的自湮灭可以导致伽马射线和中微子的高亮度，并通过暗物质子结构中的高度聚集而增强。强子CR相互作用也可以导致伽马射线和中微子的高光度，通过限制来自星系团吸积/合并冲击和活动星系核的CR来增强。我们表明，IceCube/KM 3 Net对高能中微子的观测可以探测GC的性质以及单独的暗物质和CR发射过程，同时考虑到结果如何依赖于仍然很大的不确定性。中微子观测在高能量下是相关的，特别是在>10 TeV。我们的结果应该是有用的，以改善实验搜索高能中微子发射。中微子望远镜对由暗物质亚结构和分布在大尺度上的CR形成的扩展源很敏感。费米望远镜和成像大气切伦科夫望远镜最近的观测对GC的伽马射线发射提出了有趣的限制。我们还提供了计算的伽马射线通量，考虑到GC内的电磁级联，这可能是重要的注射在足够高的能量。这也使我们能够将以前的伽马射线约束扩展到非常高的暗物质质量和非常高能量的显着CR注入。同时使用中微子和伽马射线，这可以导致类似的限制，将允许更完整的理解GC。中微子对于某些暗物质湮灭通道和强子而不是电子的CR是必不可少的。我们的研究结果表明，GC的多信使观测将能够对暗物质和CR的特定模型提供有用的约束。[摘要删节。]
2013-01-21 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Counting gamma rays in the directions of galaxy clusters
活动星系核的发射和中性π介子衰变是两种最自然的机制，它们可以使星系团成为GeV级伽马射线的来源。我们重新审视了这个问题，使用52.5个月的费米-LAT数据超过10 GeV和堆叠55个集群从HIFLUGS样本的X射线最亮的集群。从角分辨率的角度来看，选择>10 GeV的光子是最佳的，而样本的选择优化了检测中性π介子衰变的签名的机会，产生于相对论质子与簇内介质的强子相互作用，其与X射线通量成比例。在堆叠的数据中，我们检测到中心0.25度圆的信号为4.3 sigma。信号的空间范围的证据是边缘的。与非冷核团簇的子样本1.3+/-0.2相比，冷核团簇的子样本具有更高的计数率1.9+/-0.3。几个独立的论点表明，活动星系核对观测到的信号的贡献是巨大的，如果不是占主导地位。我们没有找到有力的证据来证明π介子衰变的贡献很大，根据相对论质子能量密度的极限，我们得到相对于气体热能密度的上限约为1.5%，前提是相对论质子的光谱是硬的（s=4.1，dN/dp=p^-s）。这个估计假设相对论和热分量是混合的。对于较软的光谱，极限较弱。
2013-09-01 astro-ph.CO astro-ph.HE
But What About... Cosmic Rays, Magnetic Fields, Conduction, & Viscosity in Galaxy Formation
我们提出了一套高分辨率的宇宙学模拟，使用FIRE-2反馈物理与明确的处理一起的磁场，各向异性传导和粘度，和宇宙射线（CR）注入超新星（包括各向异性扩散，流，绝热，强子和库仑损失）。我们调查系统从超微弱的矮（$M_{\ast}\sim 10^{4}\,M_{\odot}$，$M_{\rm halo}\sim 10^{9}\,M_{\odot}$）通过银河系的质量，系统地改变CR参数（如扩散系数$κ$和流动速度），并研究星系性质（质量，恒星形成历史，质量分布，相结构，形态）的合奏。我们证实了以前的结论，磁场，传导，并解决（$\gtrsim 1\,$ PC）尺度上的粘度对散装星系的性质有很小的影响。对于任何物理上合理的参数，CR对矮星（$M_{\ast} \ll 10^{10}\,M_{\odot}$，$M_{\rm halo} \lesssim 10^{11}\,M_{\odot}$）或高红移（$z\gtrsim 1-2$）中研究的所有星系性质的影响相对较弱。然而，在较高的质量（$M_{\rm halo} \gtrsim 10^{11}\,M_{\odot}$）和$z\lesssim 1-2$，CR可以抑制恒星形成的因素$\sim 2-4$，给出相对较高的有效扩散系数$κ\gtrsim 3\times10^{29}\,{\rm cm^{2}\,s^{-1}}$。在较低的$κ$下，CR需…
2020-02-08 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Simulations of the dynamics of magnetised jets and cosmic rays in galaxy clusters
星系团中心活动星系核的反馈过程似乎阻止了大规模的冷却流，阻碍了恒星的形成。然而，详细的加热机制仍然不确定。一个有希望的加热方案是利用流动的宇宙射线（CR）产生的阿尔文波的耗散。为了研究这一想法，我们使用三维磁流体动力学模拟与AREPO代码，遵循的演变，充满了CRs在湍流集群大气中的喷气充气气泡。我们发现，一个单一的注射事件产生的CR分布和加热速率所需的一个成功的CR加热模型。随着气泡的急剧上升，聚集的磁场会围绕在前沿界面上，并被放大到平衡冲压压力的强度。与气泡中的螺旋磁场一起，这最初限制了CR并抑制了界面不稳定性的形成。但随着气泡继续上升，气泡尺度的漩涡显着放大径向磁丝在其尾流，并使CR运输从气泡到冷却内集群介质。通过改变射流参数，我们获得了丰富多样的射流和气泡形态，从Fanaroff-Riley I型（FRI）到FRII型射流。我们确定喷流能量作为领先的序参量（保持周围的密度分布固定），而喷流光度是主要负责设置的马赫数的冲击周围FRII类源。我们的模拟还产生了类似FRI的喷流，这些喷流在没有可检测到的冲击的情况下膨胀气泡，并显示出与集群观察一致的形态。
2020-11-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Flux calculations in an inhomogeneous Universe: weighting a flux-limited galaxy sample
在超高能宇宙射线、甚高能伽马射线或中微子的背景下产生的许多天体物理问题需要计算追踪宇宙中星系分布的源产生的通量。我们讨论了一个简单的加权方案，林登-贝尔在1971年介绍的方法的应用，它允许直接从通量有限的星系目录计算通量天空图，而无需削减体积有限的子样本。使用这个方案，星系分布可以被模拟到大尺度，同时以最大的精度代表附近宇宙的分布。我们认为波动所产生的星系样本的有限性的流量地图。我们将展示如何减少这些波动的加权方案，并讨论如何剩余的波动限制该方法的适用性。
2009-07-01 astro-ph.CO hep-ph
Limiting the shock acceleration of cosmic-ray protons in the ICM
对大尺度射电辐射的观测证明了星系团中存在激波加速的宇宙射线电子，而探测到的$γ$射线的缺乏限制了星系团中宇宙射线质子的加速。这挑战了我们对扩散冲击加速如何工作的理解。在这项工作中，我们夫妇的最新配方的冲击加速在集群内介质的国家的最先进的磁流体动力学模拟的大规模星系团。此外，我们使用被动示踪粒子来跟踪加速宇宙线的演化。我们表明，当考虑到磁场拓扑结构和加速宇宙射线反馈之间的相互作用时，粒子加速理论的最新发展给出了与观测约束相容的结果。
2020-04-21 astro-ph.CO astro-ph.HE
Cosmic Rays on Galaxy Scales: Progress and Pitfalls for CR-MHD Dynamical Models
California Institute of Technology（加州理工学院）
本文综述了CR-MHD模型在银河及周边介质中的应用，指出传统假设的局限性，并总结了新方法在CR输运和谱动态中的进展。
2026-04-29 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
