Limits on the ions temperature anisotropy in turbulent intracluster medium
弱碰撞星系团内介质(ICM)中的湍流能够在离子中产生强的热速度各向异性(相对于局部磁场方向),如果粒子的磁矩在没有库仑碰撞的情况下是守恒的。在这种情况下,各向异性压力磁流体动力学(AMHD)湍流显示出非常不同的统计行为,从标准的MHD之一,是无法放大种子磁场,在与以前的宇宙学MHD模拟是成功地解释所观察到的磁场在ICM不一致。另一方面,温度各向异性也可以驱动等离子体不稳定性,这可以放松各向异性。这项工作的目的是比较弛豫率与增长率的各向异性驱动的湍流。我们采用准线性理论来估计离子散射率,由于平行的消防水龙带,镜子,和离子回旋不稳定性,从AMHD模拟的湍流ICM产生的一组等离子体参数。我们发现,ICM湍流只能维持非常接近不稳定性阈值的各向异性水平。我们认为,AMHD模型的边界的各向异性在边缘稳定性水平可以描述的阿尔芬湍流级联的ICM。
2016-05-17 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Investigating the intracluster medium viscosity using the tails of GASP jellyfish galaxies
通过分析GASP样本中十个水母星系Hα尾迹的速度结构函数,发现亚线性标度延伸至1千秒差距,将ICM局部黏度约束为Spitzer值的0.3%-25%,揭示其平均自由程可能小于库仑碰撞预期或存在无碰撞物理效应。
2024-11-11 astro-ph.CO
Troubled cosmic flows: turbulence, enstrophy and helicity from the assembly history of the intracluster medium
模拟和观测都表明,湍流是宇宙场景中普遍存在的现象,但由于其固有的多尺度特性,需要高分辨率,因此特别难以进行数值模拟。此外,湍流与星系和星系团的动力学状态和形成历史密切相关,产生了多种多样的现象,需要大量的此类结构样本才能得出可靠的结论。在这项工作中,我们使用自适应网格细化(AMR)宇宙学模拟,探讨在星系团湍流的产生和消散,在其组装历史。我们发现,主要的合并,更普遍的吸积气体,是主要的过程驱动湍流的内集群介质。我们特别关注螺线管湍流,它可以通过拟能量化。我们的研究结果似乎证实了它的产生,其中涉及斜压和压缩在外部(吸积)和内部(合并)的冲击,其次是涡拉伸下游的情况。我们还研究了质量落入星系团维里边界之外的情况,发现气体遵循具有一定程度螺旋度的轨迹,因为它在外部冲击中已经发展出一些涡度。
2021-04-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
A thermally stable heating mechanism for the intracluster medium: turbulence, magnetic fields and plasma instabilities
我们考虑的问题,自我调节加热和冷却的星系团和集群磁场和湍流的影响。弱碰撞磁化等离子体的粘性加热由相对于局部磁场方向的压力各向异性来调节。团内介质是高β等离子体,其中由湍流应力引起的压力各向异性以及随之而来的磁场的局部变化将触发非常快速的微尺度不稳定性。我们认为,这些不稳定性的净效应将是钉在一个边际水平的压力各向异性,控制等离子体β参数。这就产生了与辐射冷却率相当的局部加热率。此外,我们表明,这种加热和韧致辐射冷却之间的平衡是热稳定的,不像冷却和热传导之间的平衡经常被破坏。如果有足够的(可能是自我调节的)湍流能量供应,这就提供了一种减轻冷却流和防止集群核心崩溃的物理机制。对于观测到的密度和温度分布,假设的粘性加热和辐射冷却的平衡使我们能够预测磁场强度,湍流速度和湍流尺度的函数,从中心的距离。具体的预测和观察比较给出了几个不同的集群。我们的预测可以通过未来对星团磁场和湍流速度的观测来进一步检验。
2010-08-21 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Constraining Effective Viscosity in the Intracluster Medium via the Thermal Sunyaev-Zeldovich Effect -- Predictions from the SLOW Constrained Coma Cluster Simulations
Ludwig-Maximilians-Universität München(慕尼黑大学);University of Massachusetts, Amherst(马萨诸塞大学阿默斯特分校);Univ. Lille, CNRS, Centrale Lille, UMR 9189 CRIStAL(里尔大学,法国国家科学研究中心,里尔中央理工学院,CRIStAL实验室);Université Paris-Saclay, CNRS, Institut d’Astrophysique Spatiale(巴黎萨克雷大学,法国国家科学研究中心,空间天体物理研究所);Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian(哈佛史密松天体物理中心);Max-Planck-Institut für Astrophysik(马克斯·普朗克天体物理学研究所)
研究通过热苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效应约束星系团内介质有效粘性,利用SLOW模拟不同粘性水平的后发星系团,生成地图分析统计数据并与普朗克观测比较,发现有效粘性低于斯皮策值5%,验证了SZ效应约束粘性的有效性。
2026-07-23 astro-ph.CO
Dynamical heating of the X-ray emitting intracluster medium: the roles of merger shocks and turbulence dissipation
星系团内部的扩散等离子体具有几keV的X射线发射温度。将这种团内介质(ICM)加热到这样的温度的物理机制包括星系团外围的吸积激波,合并事件驱动的激波,以及一个有点被忽视的机制--团内湍流运动的耗散。我们研究这些加热机制的相对作用,使用星系团在拉格朗日示踪粒子再模拟的Omega 500宇宙学模拟。采用了一种新的分析方法,将每一时间步的温升分解为耗散加热和绝热加热的贡献。在这些加热率的高分辨率时空图中,合并轨迹清晰可见,证明了合并事件在加热ICM中的主导作用。每个合并事件所贡献的耗散加热时间延长,也发生在稀薄区域,这表明合并引起的湍流耗散加热的重要性。定量分析表明,湍流加热,而不是直接加热合并冲击,占主导地位的ICM的温度上升,特别是在内径$r < r_{\rm 500c}$。此外,我们还发现许多合并激波可以以几乎恒定的速度传播到非常大的半径$r \gg r_{\rm 500c}$,有些甚至到达并加入吸积激波,成为ICM的外边界。总之,这些结果表明,ICM加热更多的是在一个“由内而外”的方式,而不是“由外而内”所描绘的经典平滑吸积图片。
2020-05-14 astro-ph.CO
Non Thermal Support for the Outer Intracluster Medium
我们认为,非热化支持的外部团内介质在放松星系团提供的湍流,驱动的星系际气体流入的维里吸积冲击。我们预计,由于三个因素,在z<1/2的集群发展过程中,这个分量会迅速增加。首先,气体和暗物质的吸积率下降,当它们在加速的宇宙中以初始扰动的外翼为食时。第二,在激波位置,穿过逐渐变浅的引力势,下落速度减小。第三,冲击最终减弱,留下较少的热能来供给集群内的熵,但相对更多的体能量来驱动湍流进入外围。从这些因素的总体结果是物理建模和分析计算,因此,我们确定这些如何在设置外部集群内介质的平衡一致,并预测如何在X射线和微波的可观测量的影响,以探测发展的外部湍流在广泛的集群样本。出于同样的原因,我们量化了预期从X射线测量评估的总质量中产生的负偏差。
2010-10-21 astro-ph.CO
Toward mapping turbulence in the intracluster medium IV. Using NewAthena/X-IFU and simulation based inference to constrain turbulence
本文提出用基于神经网络的模拟推断(SBI)分析 NewAthena/X-IFU 模拟观测,以结构函数等统计量约束星系团内介质速度功率谱,并证明其可避免方差低估、提升湍流参数恢复能力。
2025-10-01 astro-ph.CO
Evolution of vorticity and enstrophy in the intracluster medium
在构造形成过程中,大尺度运动产生的湍流影响了团内介质热组分和非热组分的演化。由于涡度拟能是涡度大小的量度,本文通过分析涡度拟能的拉格朗日历史来研究湍流的产生和演化。为此目的,我们结合了宇宙学模拟进行ENZO代码与我们的拉格朗日后处理工具CRaTer。这样,我们就能够量化星系团吸积到星系团的过程中各个源项的拟能。在这里,我们专注于红移范围从$z=1$到$z=0$。最后,我们测量了湍流的耗散率,并估计了由此产生的集群内磁场的放大。我们发现,压缩和斜压运动是涡度拟能的主要来源,而拉伸运动和耗散影响了随后的涡度拟能演变。湍流耗散率能够维持团内磁场放大到观测水平。
2017-07-27 astro-ph.CO astro-ph.GA
Dynamical properties and detectability of the magneto-thermal instability in the intracluster medium
本文研究了星系团介质中磁热不稳定性(MTI)湍流的统计性质,通过标度律估算和MHD数值模拟评估其可观测特征,发现MTI驱动的湍流信号较弱,难以被未来的X-IFU直接探测,但若涨落更强则可能被观测到。
2024-04-29 astro-ph.CO astro-ph.HE
The Co-Evolution of a Magnetized Intracluster Medium and Hot Galactic Coronae: Magnetic Field Amplification and Turbulence Generation
利用自适应网格磁流体动力学模拟方法研究了磁场对星系团内介质(ICM)冲压压力剥离的影响。虽然典型星系团中的磁压不足以影响星系的气体质量损失率,但磁场可以影响剥离星系的形态。ICM磁场覆盖在轨道星系周围,并与它们剥离的尾巴对齐。磁场抑制了星系-ICM界面的剪切不稳定性,磁化尾比Vijayaraghavan和Ricker(2015)中可比的流体动力学模拟中的尾更光滑和更窄。轨道星系拉伸和放大ICM磁场,放大$10 - 100$ kpc尺度的磁功率谱。Galerkin通过其湍流尾流和$g$ -波向ICM注入湍流动能。ICM中的磁能和动能增加到演化的$1.5 - 2$ Gyr,之后星系被剥离了大部分气体,并且没有足够大的气体横截面来进一步放大磁场和注入湍流动能。由于星系剥离和产生$g$ -波的湍流压力的增加导致ICM的湍流体积分数的增加。这种湍流动能对整个ICM能量预算不是显著贡献者,但极大地影响ICM磁场的演变。此外,星系对磁场的影响可以在高分辨率法拉第旋转测量(RM)地图中观察到RM结构中的小尺度波动。
2017-05-15 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Turbulence in stratified atmospheres: implications for the intracluster medium
团内介质(ICM)中的气体运动受分层湍流控制。分层湍流与Kolmogorov(各向同性,均匀)湍流有着根本的不同;动能不仅从大尺度到小尺度级联,而且还转化为浮力势能。为了了解ICM中的密度和速度波动,我们对亚音速湍流(具有均方根马赫数$\mathcal{M}\approx 0.25$)和不同层次的分层进行了高分辨率($1024^2\times 1536$网格点)流体动力学模拟,分层由Richardson数$\mathrm{Ri}$量化,从$\mathrm{Ri}=0$(无分层)到$\mathrm{Ri}=13$(强分层)。我们量化的密度,压力和速度场变化的分层,因为观测研究经常使用表面亮度波动来推断的ICM湍流气体速度。我们发现,对数密度波动的标准偏差(PDMATHAMR),其中$s=\ln(ρ/\left<ρ(z)\right>)$,增加与PDMATHAMO。对于弱分层亚音速湍流($\mathrm{Ri}\lesssim10$,$\mathcal{M}<1$),我们导出了一个新的$σ_s$-$\mathcal{M}$-$\mathrm{Ri}$关系式,$σ_s^2=\ln(1+b^2\mathcal{M}^4+0.09\mathcal{M}^2\mathrm{Ri}H_P/H_S)$,其中$b=1/3$ - $1$为湍流驱动参数,$H_P$和$H_S$分别为压力和熵标度高度。我们…
2020-03-25 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.ao-ph
Features of collisionless turbulence in the intracluster medium from simulated Faraday Rotation maps
对星系团中团内介质的观测表明存在湍流,并通过法拉第旋转和同步辐射观测证实了磁场的存在。ICM也被认为是由稀薄的弱碰撞等离子体填充的。在这项工作中,我们研究了法拉第旋转地图上的无碰撞不稳定性可能留下的签名。为了这个目的,我们使用的数值方法来调查的动力学的湍流在无碰撞等离子体的基础上的磁流体动力学(MHD)的形式主义,考虑到不同层次的压力各向异性。我们考虑覆盖亚/超Alfvénic和跨/超音速制度的模型,其中一个代表的基准条件对应的ICM。从模拟模型中,我们计算法拉第旋转映射和分析几个统计指标,以表征磁场结构和比较所获得的结果与无碰撞模型,使用标准的碰撞MHD框架。我们发现,压力各向异性的重要印记普遍存在于磁场,也体现在相关的法拉第旋转图,证据较小的相关长度在无碰撞的MHD的情况下。对于模仿ICM中普遍存在的条件的情况,这些点是非常值得注意的。然而,在这项研究中,我们忽略了压力各向异性的下降,由于反馈的不稳定性,自然出现在小尺度的无碰撞等离子体。这种减少可能不会影响上述统计印记差异,但应在其他地方进行检查。
2015-11-10 astro-ph.CO astro-ph.GA
Turbulent Amplification and Structure of the Intracluster Magnetic Field
我们比较了均匀各向同性湍流的DNS计算与Matryoshka Run(Miniati 2014)中集群内湍流的统计特性,并发现它们的惯性范围之间存在显着的相似性。这使我们能够使用团内湍流的时间相关统计特性来评估团内介质中的发电机作用,基于数值解析的非线性磁流体动力学湍流发电机的早期结果(Beresnyak 2012)。我们认为,这种方法是必要的(a)适当规范发电机行动可用的集群内湍流能量和(b)克服低Re影响当前数值模型的集群内介质的限制。我们发现,虽然集群内的磁场的属性在很大程度上是不敏感的种子场的值和起源,阿尔芬速度和外部规模的磁场的结果值与目前的观测估计是一致的,基本上证实了这样的想法,即磁场在今天的星系团是它过去的湍流活动的记录。
2015-07-01 astro-ph.CO
Cooling rate and turbulence in the intracluster medium of the cool-core cluster Abell 2667
该研究分析冷却核星系团Abell 2667的ICM热X射线辐射,结合多望远镜数据探测低温气体并估算冷却速率与湍流展宽上限,发现其与低红移冷却核星系团相似,大湍流上限暗示显著ICM加热可能抑制冷却。
2025-02-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Toward mapping turbulence in the intracluster medium III. Constraints on the turbulent power spectrum with Athena/X-IFU
本研究利用 Athena/X-IFU 模拟观测,通过结构函数与 MCMC 方法约束星系团内介质湍流功率谱参数,在有利假设下以优于15%的1σ不确定性恢复注入尺度、速度弥散和谱斜率。
2024-03-18 astro-ph.CO
Non-linear saturation and energy transport in global simulations of magneto-thermal turbulence in the stratified intracluster medium
本研究通过IDFIX代码进行2D和3D数值模拟,探讨了星系团介质中磁热不稳定性(MTI)湍流的饱和机制与能量传输,发现MTI通过势能注入与耗散平衡实现饱和,并能在ICM外围提供约15%的非热压支撑。
2024-11-25 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
On the interpretation of XRISM X-ray measurements of turbulence in the intracluster medium: a comparison with cosmological simulations
Università di Bologna(博洛尼亚大学);Istituto di Radio Astronomia, INAF(意大利国家天体物理研究所射电天文台)
XRISM观测与宇宙学模拟显示,Coma星系团湍流特性可通过更复杂的湍流模型解释,无需陡峭的湍流谱。
2025-11-20 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.plasm-ph
Merger-Driven Turbulence and Coherent Transport in the Intracluster Medium
本研究通过Omega500模拟的示踪粒子重模拟,系统分析了星系团内介质(ICM)的传输机制,发现主要并合事件通过相干传输与强湍流共同主导粒子传输,并揭示了其与星系团动力学状态的紧密联系。
2025-04-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Exploring the relation between turbulent velocity and density fluctuations in the stratified intracluster medium
团内介质(ICM)的动力学过程受到星系团合并、吸积和活动星系核反馈等过程驱动的湍流的影响。X射线表面亮度波动已经被用来限制星系团中的湍流。在这里,我们使用模拟进一步研究气体密度和湍流速度波动之间的关系,重点是ICM的分层的效果。在这项工作中,我们通过分析一个用宇宙学程序ENZO模拟的星系团样本来研究由分级吸积驱动的湍流。我们使用固定尺度的滤波方法来分离层流和湍流。在动态扰动的星系团中,我们发现了密度和速度波动的均方根之间的关系,尽管与以前报道的斜率不同。Richardson数是一个参数,代表湍流和浮力之间的比例,我们发现,这个变量有很强的依赖于过滤尺度。然而,我们无法检测到理查森数和对数密度波动之间的任何强关系,最近和更理想化的模拟结果相反。特别是,我们发现一个强大的影响,径向吸积,这似乎是气体波动的主要驱动程序。普遍存在的径向偏差的动态ICM表明,均匀性和各向同性并不总是有效的假设,即使湍流谱遵循柯尔莫哥洛夫的标度。最后,我们发现速度和密度谱的斜率是独立的集群中心半径。
2021-12-01 astro-ph.CO astro-ph.GA
XMAGNET: Velocity structure functions of active galactic nucleus-driven turbulence in the multiphase intracluster medium
本文利用XMAGNET磁流体模拟研究星系团多相介质的速度结构函数,发现热相与冷相行为无明确相关,且投影效应、大气视宁度和观测角度会显著影响观测结果。
2025-06-03 astro-ph.CO astro-ph.GA
Origin of Magnetic Field in the Intracluster Medium: Primordial or Astrophysical?
星系团中磁场的起源仍然是一个未解决的问题,这在很大程度上是由于我们对初始种子磁场的理解很差。如果种子磁场具有原始起源,则很可能在大尺度结构形成之前就存在大尺度普适磁场。另一方面,如果它们是从天体物理体中喷射出来的,它们在注入时高度局限于空间。在本文中,使用湍流发电机模型的高磁普朗特数流体,我们发现的种子磁场的限制。基于Spitzer粘度的流体动力学Reynolds数小于$O(10^2)$,而磁Reynolds数可能远大于此。在这种情况下,如果种子磁场具有原始起源,则它们应该比$O(10^{-11})$ G更强,这非常接近由宇宙微波背景(CMB)观测设定的$O(10^{-9})$ G的上限。另一方面,如果种子磁场是从天体中喷射出来的,任何比$O(10^{-9})$ G强的种子磁场都可以安全地磁化星团内的介质。因此,原始磁场不太可能是ICM中现今磁场的直接来源。
2014-10-07 astro-ph.CO astro-ph.HE
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。
2012-02-15 astro-ph.CO
Characterizing the magnetic field in the intracluster medium
在结构形成过程中,星系团内部的热气体(团内介质,ICM)的高能事件和随机运动产生湍流运动。射电漫发射探测了ICM中磁场和相对论粒子的存在,是理解星系团中物理过程的关键因素。在这项工作中,我们提出的结果从数值模拟的磁场湍流的磁流体力学(MHD)和动力学MHD(KMHD)的框架。我们通过极化图上留下的印记来表征磁场结构。
2012-09-11 astro-ph.CO
Power spectrum estimation methods on intracluster medium surface brightness fluctuations
本文通过模拟比较多种二维投影涨落功率谱估计方法,并简要评估降噪策略,以更准确地从X射线和SZ效应观测中约束星系团内介质湍流性质。
2024-04-03 astro-ph.CO
Plasma 2020 - Intracluster Medium Plasmas
星系团是宇宙等级结构形成的最大、最有质量的束缚天体。重子占质量的10%多一点,大约90%的重子物质分布在整个星系团中,是热的($T>1$ keV)、高$β$、非常弱的碰撞等离子体,即所谓的“星系团内介质”(ICM)。星系团合并、近距离引力相遇和吸积,以及来自星系的强烈反馈和来自活动星系核的相对论喷流,驱动了ICM内的风、重力波、湍流和冲击。这些动力学反过来又会产生星系团规模的磁场,加速和调节高能带电粒子的传输。动力学尺度的集体等离子体过程定义了这些ICM现象的基本特征和基本特征,这些现象主要由X射线和射电天文学家观察到。
2019-03-20 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Matryoshka Run (II): Time Dependent Turbulence Statistics, Stochastic Particle Acceleration and Microphysics Impact in a Massive Galaxy Cluster
我们利用Matryoshka运行研究了10 $^{15}M_\odot$星系团的团内介质中结构形成驱动湍流的时间相关统计。我们调查的湍流级联在内部Mpc的压缩和不可压缩的速度分量。流动保持充分发展的湍流的近似条件,其偏离在大约涡流周转时间内稳定。即使在低质量吸积率下,湍流速度色散仍高于$700$ km s $^{-1}$,压缩能量的分数在10%和40%之间。与不可压缩湍流不同,压缩湍流的标准化和斜率在短时间尺度上易受较大变化的影响。一个主要的合并发生在红移$z\simeq0$周围,并伴随着长时间的增强湍流,归因于与物质空间聚集有关的质量吸积的时间聚集。我们测试模型的随机加速压缩模式的起源弥漫无线电发射的星系团。湍流模拟模型约束了这个复杂问题的一个重要未知数,并提出了它对难以捉摸的团内等离子体微观物理的依赖。特别是,等离子体的碰撞和耗散物理的弱冲击的具体情况影响的压缩模式的加速率具有强烈的影响的级联。在这种背景下,射电晕作为一种复杂的现象出现,在这种现象中,一系列作用于越来越小的尺度上的过程在起作用。压缩模式的随机加速度意味着无线电功率和频谱指数与合并核心距离的统计相关性,原则上都可以用无线电测量进行测试。
2014-12-17 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Turbulence in the Inter-galactic Medium: Solenoidal and Dilatational Motions, and the Impact of Numerical Viscosity
我们使用一套宇宙学流体动力学模拟,运行两个固定的网格代码,调查的性质的螺线管和星系际介质(IGM)的湍流运动,和数值粘性的影响,在LCDM宇宙。这两种编码的区别仅在于空间差分离散化。我们发现:(1)自$z=2$以来,涡旋运动迅速增长,并在$z=0$时达到$\sim 10 km/s -90 km/s$。同时,小尺度压缩比$r_{CS}$从0.84下降到0.47,表明目前的涡动和压缩运动相当。(2)在湍流区,螺线管速度的功率谱具有$\propto k^{-0.89}$和$\propto k^{-2.02}$两个区域,而总速度和湍流速度分别遵循标度$k^{-1.88}$和$k^{-2.20}$。IGM湍流可以包含两个不同的阶段,超声速和后超声速阶段。(3)通过涡动能测量的非热压力支持与$ρ_b \simeq 10-100$或$z=0.0$下的$T <10^{5.5} K$的热压力相当。重子分数与宇宙平均值的偏差与湍流压力的支持有初步的正相关。(4)相对较高的数值粘性会更有效地将IGM的压缩运动和涡旋运动耗散为热能,导致较不发达的涡度,显著缩短的惯性范围,并导致气体吸积热历史中不可忽略的不确定性。自$z=2$以来,数值粘性显著抑制了团簇外区域的激波,这可能直接导致两个代码之间的湍流水平不同。
2013-08-21 astro-ph.CO
Non-Thermal Pressure due to Gas Motions in the Intracluster Medium: Confronting XRISM/Resolve with TNG-Cluster Simulations
Nara Women’s University(奈良女子大学);Argelander-Institut für Astronomie (AIfA), Universität Bonn(波恩大学阿尔兰德天体物理研究所);Yale University(耶鲁大学)
本研究对比XRISM观测与TNG-Cluster模拟,发现方位角变化和投影效应可部分解释非热压力占比不足,但Abell 2029的极低值仍需罕见动力学条件或缺失物理过程说明。
2026-09-09 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Possible origin of viscosity in the Keplerian accretion disks due to secondary perturbation: Turbulent transport without magnetic field
旋转剪切流中流体动力学湍流的起源是一个长期存在的难题。在天体物理学中,当流体角动量分布是开普勒型的,形成一个具有可忽略的分子粘性的吸积盘时,解决这个问题尤为重要。因此,在这样的系统中,任何粘度都是由湍流引起的,可以说是由磁旋转不稳定性决定的,特别是当温度T >~ 10^5时。然而,在静止的激变变星、原行星盘和恒星形成盘周围的盘,以及活动星系核中盘的外部区域,由于它们的温度低,电荷实际上是中性的,因此预计不会与磁场适当地耦合,从而由于磁旋转不稳定性而产生任何输运。这种流动类似于包括科里奥利力的平面库埃特流动,至少局部如此。当这种流动在线性流体动力学扰动下不表现出任何不稳定模式时,是什么驱动了它们的湍流,然后又驱动了它们的传输?我们证明了三维二次扰动对初始扰动流的触发椭圆不稳定性可能产生显著的湍流粘性,范围为0.0001 <~ ν_t <~ 0.1,以解释吸积流中的输运。
2011-01-24 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Turbulent density and pressure fluctuations in the stratified intracluster medium
在团内介质(ICM)中观察到湍流气体运动。ICM是密度分层的,气体密度在团簇的中心最高,径向向外降低。因此,Kolmogorov(均匀,各向同性)湍流理论不适用于ICM。相反,气体运动解释为各向异性分层湍流,分层量化的垂直弗劳德数($\mathrm{Fr}_\perp$)。这些湍流运动与密度和压力波动,表现为扰动的X射线表面亮度图的ICM和热Sunyaev-Zeldovich效应(SZ)的波动,分别。为了进一步了解这些波动与湍流气体速度之间的关系,我们进行了100次高分辨率的分层湍流流体动力学模拟($256^2\times 384$ -- $1024^2\times1536$分辨元),在该方法中,我们扫描了亚音速均方根马赫数的参数空间($\mathcal{M}$)、$\mathrm{Fr}_\perp$以及熵和压力标度高度的比率($R_{PS}=H_P/H_S$)。我们发展了一个新的对数密度涨落标准差($σ_s$,其中$s=\ln(ρ/\left<ρ\right>)$),$\mathcal{M}$,和$\mathrm{Fr}_{\perp}$之间的标度关系,直到$\mathrm{Fr}_\perp\ll1$:~ $σ_s^2=\ln\left(1+b^2\mathcal{M}^4+0.10/(\mathrm{Fr}_\perp+0.25/\sqrt{\mathrm{Fr}_\per…
2020-12-03 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.flu-dyn
Turbulence and Vorticity in Galaxy Clusters Generated by Structure Formation
湍流是团内介质演化的关键因素,其性质可以通过高分辨率数值模拟来预测。我们目前的螺线管和压缩湍流的产生在一个小尺寸的集群形成过程中,使用高分辨率,非辐射宇宙学模拟,在一个精细的监测时间在集群内介质的初步结果。在这一系列论文的第一篇中,我们仔细研究了一个模拟的星系团,它的形成是由$z \sim 0.3$周围的合并所区分的。我们分离层流气体运动,湍流和冲击专用的过滤策略和区分螺线管和压缩组件的气体流动使用Hodge-Helmholtz分解。在所有时期,螺线管湍流在中心集群体积中占主导地位的湍流运动($\sim 95\%$)的耗散。通过压缩模式的耗散被认为是更重要的($\sim 30 \%$的总数),只有在大半径($\geq 0.5 ~r_{\rm vir}$)和接近合并事件。我们表明,拟能(涡度平方)是很好的代理螺线管湍流。所有条款统治的涡度拟能的演变(即斜压,压缩,拉伸和平流条款)被发现是显着的,但在金额随时间和地点而变化。在我们的模拟中,涡度拟能的增长有两个重要的趋势:第一,涡度拟能是从外部不断地吸积到星系团中的,并且大部分的吸积涡度拟能是由斜压和压缩过程在外部吸积激波附近产生的。第二,在集群内部涡拉伸是占主导地位的,虽然其他条款也有很大的贡献。
2016-09-12 astro-ph.CO
Suppressed heat conductivity in the intracluster medium: implications for the magneto-thermal instability
在星系团的团内介质(ICM)外围,温度随半径的增大而降低。由于等离子体的弱碰撞性质,这些区域容易受到磁热不稳定性(MTI)的影响,这可以维持湍流并在ICM中提供湍流压力支持。这种不稳定性是由于沿磁场方向的热传导引起的,热传导率通常假定由斯皮策值给出。最近的数值研究的离子镜和电子哨声的不稳定性,使用粒子在细胞的代码表明,微尺度的不稳定性,可以导致在ICM的热导率值降低。这又会影响MTI驱动湍流的效率。在本文中,我们研究了约化热输运对MTI非线性演化的影响。我们研究平面平行,最初静态的大气,并采用亚网格模型,模仿的镜面不稳定性对热导率的影响。我们使用这个亚网格模型来评估微尺度对ICM大尺度动力学的影响。我们发现,非线性饱和的MTI是令人惊讶的强大在我们的模拟。在热磁压力比和碰撞性的$\sim 10^3$因子上,我们发现相对于热传输未被抑制的参考模拟,MTI的饱和度最多发生适度的变化。
2021-03-18 astro-ph.CO physics.plasm-ph
Cluster Turbulence: Simulation Insights
星团介质是动态的,而不是静态的;观测证据表明它们是湍流的。对团内介质(ICM)和理想化的类似介质的高分辨率模拟有助于我们理解所涉及的复杂物理和天体物理。我们提出了一个简短的概述ICM湍流背后的物理和概述的过程,控制其发展。高分辨率,可压缩,等温MHD模拟被用来说明重要的动力学性质的湍流,发展中国家的媒体与最初非常弱的磁场。模拟跟随磁场的增长并再现湍流的特征。这些结果也比较完整的集群模拟研究ICM湍流的属性。
2011-01-20 astro-ph.CO
The (Limited) Effect of Viscosity in Multiphase Turbulent Mixing
Ludwig-Maximilians-Universität München(慕尼黑大学);Max Planck Institute for Astrophysics(马克斯·普朗克天体物理研究所);Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian(哈佛史密森天体物理中心);Heidelberg University(海德堡大学);University of California, Santa Barbara(加州大学圣塔芭芭拉分校)
通过理想化数值模拟研究黏性对湍流辐射混合层中冷却效率、湍流演化和开尔文-亥姆霍兹不稳定性的影响,发现强冷却条件下黏性作用有限,系统表现为无黏性行为。
2026-05-13 astro-ph.CO astro-ph.GA
Effects of Viscosity on Sloshing Cold Fronts in Galaxy Clusters
National Tsing Hua University(国立清华大学);Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian(哈佛-史密森尼天体物理中心);National Center for Theoretical Sciences(国家理论科学中心)
研究通过模拟星系团合并过程,探讨粘性和磁场对冷前缘波动稳定性的影响,发现粘性和磁场共同抑制Kelvin-Helmholtz不稳定性,从而稳定冷前缘。
2026-10-20 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Life cycle of cosmic-ray electrons in the intracluster medium
模拟了中心射电星系注入小星系团介质中的相对论电子的演化过程,研究了初始喷流功率对射电等离子体扩散和辐射特性的影响。通过将被动示踪粒子耦合到自适应网格宇宙学MHD模拟中,我们研究了宇宙射线电子如何作为输入喷流功率的函数分散。我们还研究了后者如何影响的热和非热性质的集群内介质,与差异可辨别的$\sim$陀螺仪开始后的射流。我们发展了宇宙射线电子的能谱,受到同步加速器和逆康普顿发射以及通过冲击波和湍流再加速的能量增益为主的能量损失。我们发现,在没有重大合并的情况下,宇宙射线电子经历的再加速量不足以产生长寿命的可检测的无线电发射。然而,对于所有的模拟,再加速过程的作用是至关重要的,以保持一个显着的和体积填充水库的化石电子($γ\sim 10^3$)的几个陀螺后,第一次注入射流。这对解释最近发现的星系团的辐射和其他射电现象很重要。
2022-10-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Role of intracluster supernovae in radio mini-halos in galaxy clusters
讨论了在团内介质(ICM)中Ia型超新星(SNIa)遗迹中产生加速的宇宙射线粒子群的可能性。目前限制主机在集群SNIa率被发现足以填补几百千秒差距的区域内的宇宙射线电子在其典型的同步加速器寿命为1亿年。SNIa已经被认为是冷核星系团中过量Fe丰度、ICM中分布加热和湍流的潜在来源。来自小晕的总射电功率的一个很好的部分可以来源于储存在ICM中的SNIa能量,所需的能量转换效率<1%。在估计的不确定性范围内,根据SNIa残余物中的低马赫数激波加速度估计的射电功率与观测结果一致。射电小晕的一些观测性质与SNIa情景大致一致。也有人推测,无线电功率和可能检测到的迷你晕与恒星形成和合并的历史集群。
2019-02-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
Dynamical evolution of magnetic fields in the intracluster medium
利用高分辨($\approx \rm 4 ~kpc$)宇宙学MHD模拟,研究了星系团中磁场的演化。在我们的样品中的磁场表现出放大,通过一个小规模的发电机和压缩过程中的结构形成。特别是,我们研究的光谱特性的磁场的合并的影响,我们所测得的磁能谱的动态演化的集群内介质。在$\sim$陀螺仪的时间跨度内,磁能增长了40-50倍,动能和磁能之间的均分发生在一系列尺度上(所有时期的$< 160 \rm ~kpc$),这取决于系统的湍流状态。我们还发现,一般来说,磁场的外尺度和MHD尺度在时间上不是简单相关的。主要合并的影响是移动峰值磁谱到它的较小的尺度,而磁放大后,才开始$\lesssim$ 1 Gyr。相反,连续的小合并促进磁场的稳定增长。我们讨论了这些发现的影响,在未来的无线电观测的星系团的解释。
2019-03-26 astro-ph.CO
Viscosity, pressure, and support of the gas in simulations of merging cool-core clusters
大合并被认为是团簇中湍流的重要来源。我们进行了数值模拟的一个主要合并事件使用嵌套网格的初始条件,自适应网格细化,辐射冷却的原始气体,和均匀的紫外线背景。通过计算微观粘度的各种理论假设的基础上,估计Kolmogorov长度从湍流耗散率计算的亚网格尺度模型,我们能够证明,大多数的温暖,热的星系际介质可以维持一个完全的湍流状态,只有当磁抑制的粘度是相当大的。接受这一点作为前提,结果表明,湍流和热量的比例在合并过程中变化很小。这证实了早期研究中大样本星系团的平均热能和非热能含量之间的紧密相关性,这可以解释为不同晕质量的自相似性之上的第二自相似性。另一个长期存在的问题是湍流如何以及在多大程度上有助于支持气体对抗重力。从全局的角度来看,湍流和热压力的比例是显着的集群在我们的模拟。另一方面,局部测量由压缩率提供,即流的发散的增长率。特别是对于团内介质,我们发现,对重力的主要贡献来自热压力,而可压缩湍流有效地抵消了支持。由于这个原因,把湍流仅仅看作是热能的一种有效增强似乎过于简单。
2017-05-19 astro-ph.CO
Resolved magnetic dynamo action in the simulated intracluster medium
法拉第旋转和河外射电源的同步辐射提供了证据的存在磁场延伸超过~Mpc尺度。然而,这些领域的起源仍然难以捉摸。利用新的高分辨率网格模拟,我们研究了大质量星系团中磁场的增长,该星系团在几个方面与后发座星系团相似。我们研究的模型中,磁场起源于原始种子场与0.1 nG的红移z=30。模拟显示了显著的磁场放大的证据。在最好的空间分辨率(3.95千秒差距),我们能够解决的规模,磁张力平衡的磁力线弯曲的湍流。这使我们能够观察到小规模发电机的最后生长阶段。据我们所知,这是第一次在星系团内介质的宇宙学模拟中看到。我们的模拟观测法拉第旋转提供了一个很好的匹配观察后发座星系团。然而,磁场的分布显示出强烈的偏离一个简单的麦克斯韦分布,这表明在真正的集群磁场的三维结构可能是显着不同的,通常假设时推断磁场值从旋转测量观测。
2017-11-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
The Role of Turbulence in AGN Self-Regulation in Galaxy Clusters
星系团的冷核被认为是由低能量的活动星系核(AGN)加热的,活动星系核的吸积受反馈调节。然而,活动星系核喷出的热气体与周围的团内介质之间的相互作用是非常难以模拟的,因为它涉及到广泛的空间尺度和瑞利-泰勒(RT)不稳定的气体。在这里,我们使用RT驱动的湍流亚网格模型来克服这些问题,并提出了第一个观测一致的流体动力学模拟活动星系核的自我调节星系团。对于广泛的参数选择,在我们的三维模拟集群调节自己至少几个陀螺年。通过一系列爆发,加热平衡冷却,典型的复发时间约为8000万年,时间尺度仅取决于全球集群属性。
2009-09-09 astro-ph.CO astro-ph.GA