SILCC VI -- Multi-phase ISM structure, stellar clustering, and outflows with supernovae, stellar winds, ionising radiation and cosmic rays
我们提出了模拟的多相星际介质（ISM）在太阳附近的条件下，包括热和非热ISM过程，团簇形成，并从大质量恒星的反馈：恒星风，氢电离辐射计算与新的TreeRay辐射转移方法，超新星（SN），和注入的宇宙射线（CR）。N体动力学计算与四阶Hermite积分。我们系统地研究了恒星反馈对磁场、CR平流和扩散以及非平衡化学演化的自引力ISM的影响。SN-唯一的反馈结果在非常高的星团质量，双峰分布的环境SN密度，和低体积填充因子（VFF）的温暖的气体，通常与当地条件不一致的强烈集群的恒星形成。早期的辐射反馈阻止了最初的星暴，减少了星团质量和外流率。此外，恒星形成率表面密度的$Σ_{\dot{M}_\star} = 1.4-5.9 \times 10^{-3}$ $\mathrm{M}_\odot\,\mathrm{yr}^{-1}\,\mathrm{kpc}^{-2}$，VFF $_\mathrm{warm} = 60-80$百分比以及热，动力学，磁，宇宙射线能量密度的模型，包括所有的反馈机制，符合观测的限制。在短，1亿年，这里研究的时间尺度，CR只有适度的影响，恒星的形成和多相气体结构，并导致较冷的流出，如果存在。我们的模型表明，在低气体表面密度SN-唯一的反馈只捕捉到一些特点的恒星形成ISM和流出/流入有关调节恒星的形成。相反，恒星的形成在星团尺度上受到来自星团中大质量恒星的辐射和风的调节，…
2021-03-29 astro-ph.GA
The Physics of Galactic Winds Driven by Cosmic Rays II: Isothermal Streaming Solutions
我们使用解析计算和含时球对称模拟来研究由阿尔文速度下的宇宙射线流驱动的等温星系风的性质。模拟产生的强冲击渗透随时间变化的流量，我们确定了一个新的线性不稳定性的声波，这些冲击的来源。激波大大改变了风动力学，使以前的稳态模型失效：CR压力$p_c$在大部分体积中具有$dp_c/dr \simeq 0$的阶梯状结构，并且时间平均CR能量在许多情况下更好地近似于$p_c \propto ρ^{1/2}$，而不是典型的$p_c \propto ρ^{2/3}$。考虑到CR能量学的这种变化，我们解析地推导出CR流驱动的星系风中的质量损失率、动量通量、风速和风动能功率的新表达式。我们表明，流CR是无效的直接驱动冷气体的星系，虽然CR驱动的风在较热的ISM阶段可能夹带冷气体。对于相同的物理条件下，扩散CR运输（纸I）产生的质量损失率是几个-100倍大于流运输，和渐近风功率是一个因素的$\simeq 4$大。我们讨论了我们的研究结果对星系风理论和观测的影响;由CR流引起的不稳定性驱动的强烈冲击产生了具有广泛密度和温度的气体，与观测到的风的多相性相一致。我们还量化了等温气体近似建模流CR的适用性，并强调需要更现实的热力学计算。
2021-06-15 astro-ph.GA astro-ph.HE
Global simulations of galactic winds including cosmic ray streaming
星系外流在星系演化中起着重要的作用。尽管它们很重要，但对驱动这些风的物理机制缺乏详细的了解。为了更深入地了解这些流动的性质，我们对一个孤立的银河系大小的星暴星系进行了全球三维磁流体动力学模拟。我们专注于超新星注入的宇宙射线的动力学作用，特别是对宇宙射线沿磁场的流动和各向异性扩散的影响。我们发现，这些微物理效应可以有一个显着的影响，取决于等离子体物理的细节的风发射和质量负载的因素。由于宇宙线流的不稳定性，在星际介质中传播的宇宙射线会被自激阿尔芬波散射并耦合到气体中。当由于流动不稳定性引起的波增长被某些阻尼过程（如湍流阻尼）抑制时，宇宙线与气体的耦合较弱，其有效传播速度大于阿尔芬速度。或者，宇宙射线可能从由另一种机制驱动的“非本征湍流”散射。我们证明，适度的超阿尔夫文宇宙线流的存在下，提高银河风驱动的效率。宇宙射线沿着部分有序的磁场从银盘附近的致密区域流走，在这个过程中，加速了更稀薄的气体远离星系。对于宇宙射线加速效率与观测约束大致一致，宇宙射线降低银河系恒星形成率，并显着帮助发射银河风。
2016-02-15 astro-ph.GA astro-ph.HE
Gamma-Rays and the Far-Infrared-Radio Continuum Correlation Reveal a Powerful Galactic Centre Wind
我们考虑了来自银河系内部200 pc的热辐射和非热辐射。来自这个几乎类似于恒星爆发的区域的辐射最终主要是由正在进行的大质量恒星形成所驱动的。我们表明，该地区的无线电连续谱（RC）的发射是在相对赤字的远红外无线电连续谱相关（FRC）所提供的期望。同样，我们发现，该地区的伽马射线辐射低于预期的恒星形成和由此产生的超新星率。这些事实是令人信服的解释，假设一个强大的（400-1200公里/秒）风是从该地区发射。这风可能发挥了一些重要的作用，包括平流正电子进入银河系的核球，从而解释了观察到的~kpc延长的511 keV的正电子湮没信号周围的GC。我们还表明，大规模的GC磁场落在100-300 microG的范围内，并且-在他们留在该地区的时间- GC宇宙射线不穿透到该地区的致密分子材料。
2010-11-15 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic Rays and Magnetic Fields in the Core and Halo of the Starburst M82: Implications for Galactic Wind Physics
宇宙射线（CR）和磁场在驱动快速恒星形成星系的大规模星系外流方面可能具有重要的动力学意义。我们使用CR传播程序GALPROP构造了局域星暴和超风星系M82的二维轴对称模型。使用规定的气体密度和磁场分布，风廓线，CR注入率，和恒星辐射场，我们同时适合集成的伽马射线发射和空间分辨的多频无线电发射沿M82的短轴延伸。我们探讨由此产生的气体密度，磁场强度，CR能量密度，和假设的CR平流剖面上的约束。与早期的单区研究一致，我们一般发现低中心CR压力，强次级电子/正电子生产，以及相对论性韧致辐射损失在形成同步辐射光谱中的重要作用。我们发现，相对较低的中央CR密度产生的CR压力梯度是弱的重力相比，强烈限制的作用，CRs在驱动M82的快速和质量加载的星系外流。我们的模型需要强磁场和平流速度的顺序~1000公里/秒的千秒差距尺度沿短轴，以再现扩展的无线电发射。退化之间的控制物理参数的模型和警告，这些研究结果进行了讨论。
2019-08-26 astro-ph.GA astro-ph.HE
The Physics of Galactic Winds Driven by Cosmic Rays I: Diffusion
宇宙线（CR）传输的物理学仍然是评估CR是否能产生与观测一致的星系尺度外流的关键不确定性。在本文中，我们阐明了CR驱动的星系风的物理CR输运占主导地位的扩散。一个配套文件认为CR流。我们使用的解析估计验证时间依赖的球对称模拟推导出表达式的质量损失率，动量通量和速度的CR驱动的星系风，适合宇宙尺度或半解析模型的星系形成。对于CR扩散系数$κ\gtrsim r_0 c_i$，其中$r_0$是风的基半径，$c_i$是等温气体声速，渐近风能通量与提供给CR的风能通量相当，流出物迅速加速到超音速。相比之下，对于$κ\lesssim r_0 c_i$，CR驱动的风加速得更慢，并且将大部分能量损失给重力，这是光子疲劳恒星风的CR模拟。鉴于CR扩散系数估计费米伽玛射线观测π衰变，我们预测质量损失率在CR驱动的星系风的顺序的恒星形成率的矮星系和盘星系。与调和恒星和暗物质晕质量函数所需的质量载荷相比，矮星系的质量损失率很小。对于核星爆（例如，M82，Arp 220），CR扩散和π介子损失抑制了银河系中的CR压力和CR驱动风的强度。我们讨论了我们的结果的影响，解释观测星系风和CR的作用在星系形成。
2021-02-10 astro-ph.GA astro-ph.HE
Damping of Alfven waves by Turbulence and its Consequences: from Cosmic-Rays Streaming to Launching Winds
本文研究了磁化等离子体中阿尔芬波的湍流阻尼。我们确定了两种情况下的阻尼，一个有关的阻尼的宇宙射线流不稳定性，其他有关的阻尼的宏观波源，如恒星大气发射的阿尔芬波。这两种情况之间的物理差异在于，在前一种情况下，所产生的波相对于磁场的局部方向发射，而在后一种情况下，所产生的波相对于平均场发射。在这两种情况下，阻尼的标度是不同的。我们的制度的湍流范围从subAlfvenic到superAlfvenic，我们得到的解析表达式的阻尼率，并定义这些表达式的适用范围。描述阻尼的流不稳定性，我们发现，subAlfvenic湍流的宇宙线能量的范围受弱湍流的影响是不成比例的大规模的范围相比，弱湍流存在。相反，强阿尔芬湍动影响的宇宙线能量范围相当有限。一些天体物理应用的过程，从发射恒星和星系风的宇宙射线在星系和星系团的传播被认为是。特别是，我们讨论了如何调和的湍流阻尼与观测到的银河系宇宙射线的各向同性的过程。
2016-07-06 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Cosmic Rays in the Disk and Halo of Galaxies
本文对宇宙线传播模型进行了综述。结果表明，宇宙线起源理论的发展必然导致这样的结论：宇宙线在银河系中的传播是由有效粒子散射决定的，而有效粒子散射可用空间扩散来描述。银盘被一个扩展的晕圈所包围，宇宙射线在逃逸到星系际空间之前被限制在其中。在很长一段时间里，人们认为来自银河系的宇宙射线对流外流（银河风）是微不足道的。然而，对流体动力学稳定性的研究和对ISM动力学（包括宇宙射线）的分析表明，星系风在盘附近发出，并朝着晕加速，在远离盘的地方达到最大速度。因此对流宇宙线输运在星系晕中应该是重要的。最近对EGRET数据的银河系盘中伽马射线发射率的分析表明，宇宙射线在盘的径向方向上或多或少均匀分布，以及对星系晕中软X射线发射的解释，提供了令人信服的证据，证明在恒星形成星系中存在星系风。
2009-05-19 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic rays can drive strong outflows from gas-rich high-redshift disk galaxies
我们模拟了大质量恒星形成（40 Msun / yr）盘星系模型中的磁化星际介质（ISM），这些盘星系具有高气体表面密度（~100 Msun /pc ^2），类似于观测到的恒星形成高红移盘。我们假设II型超新星将其能量的10%以宇宙射线的形式沉积到ISM中，而忽略热能或动量的额外沉积。利用典型的CRs银河系扩散系数（3e 28 cm ^2/ s），我们证明了这一过程本身就可以触发局部形成一个强的低密度银河风，维持垂直开放的场线。在相对论流体的附加压力梯度的驱动下，风速可以超过1000 km/s，远远高于星系的逃逸速度。一旦系统稳定到平衡状态，全球质量负载，即离开星系盘的气体质量与恒星形成速率的比率，就变成了单位阶。我们的结论是，相对论粒子加速超新星遗迹单独提供了一个自然和有效的机制，触发风类似于观察到的质量加载的星系风在高红移星系。这些风也有助于解释星系中气体转化为恒星的低效率，以及星系际介质早期富含金属。这种机制至少与传统上认为的大质量恒星的动量反馈和超新星爆炸的热和动力学反馈具有相似的重要性。
2013-10-15 astro-ph.CO astro-ph.GA
TeV Gamma Rays and Neutrinos from Winds Driven by Radiatively Inefficient Accretion Flows of Low-Luminosity Active Galactic Nuclei
The University of Osaka（大阪大学）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）；The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University（京都大学汤川理论物理研究所）
本研究针对LHAASO探测到的LLAGN NGC 4278宁静期TeV伽马射线，提出RIAF驱动风的新机制，建模重现其辐射，还可推广至Sgr A*，为LLAGN辐射机制提供新解释。
2026-09-01 astro-ph.GA astro-ph.HE
The $γ$-ray sky seen at X-ray energies I. Searching for the connection between X-rays and $γ$-rays in Fermi BL Lac objects
BL Lac天体是一种极端类型的活动星系核（AGN），属于数量最多的$γ$射线源：耀变体。这类活动星系核的光谱能量分布呈双凸状，通常用同步加速器自康普顿（SSC）发射过程来描述，而在红外和X射线波段之间占主导地位的低能成分与在$γ$射线中达到峰值的高能成分紧密相连。耀变体的射电和中红外辐射与$γ$射线波段的辐射之间有两个很强的联系。它们构成了将$γ$射线源与它们的低能对应物相关联的基础。我们使用所有存档的Swift/XRT观测数据，结合选定的351个源样本的费米数据，搜索BL Lac亚类的X射线和$γ$射线发射之间的可能联系。分析直到2018年12月进行的Swift/XRT观测的$\sim$ 2400 ks，我们发现在$γ$ -射线通量阈值$F_γ\approx3\times10^{-12}\,\rm{erg}\,\rm{cm}^{-2}\,\rm{s}^{-1}$之上，所有\emph{Fermi} BL Lac中有96%具有X射线对应物，其检测到的信噪比高于3。我们没有发现X射线和$γ$射线通量和/或光谱形状之间的任何相关性或明显趋势，但我们发现了X射线通量和中红外颜色之间的相关性。最后，我们讨论了我们的结果在SSC框架的可能解释。
2020-04-06 astro-ph.GA astro-ph.HE
Interplay between Escaping Cosmic Rays and Interstellar Medium: Driving of Galactic Winds and Shaping the Local Proton Spectrum
Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo（东京大学宇宙射线研究所）；Department of Physics, Graduate School of Science, Nagoya University（名古屋大学理学研究科物理学系）
研究逃逸宇宙射线对星际介质的影响，通过球对称的CR-流体动力学模拟，探讨CR能量谱、辐射冷却和热传导的演化，揭示CR加热对超新星残骸观测的潜在影响，并提出对本地质子谱的解释。
2026-04-06 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic ray-driven galactic winds: transport modes of cosmic rays and Alfvén-wave dark regions
由宇宙射线（CR）介导的反馈是星系形成的一个重要过程。因为CR是长寿命的，而且它们沿着磁场线传输，不依赖于任何气流，所以它们可以有效地在星系内分配反馈能量。我们提出了一个深入的调查（一）CR如何发射星系风从一个磁盘，形成在$10^{11} \mathrm{M}_\odot$晕和（ii）CR运输如何影响动态的星系外流。为此，我们使用的Arepo移动网格代码和模型CR运输与CR流体动力学的两个时刻的描述。该模型包括CR与回转共振阿尔芬波的相互作用，使我们能够自洽地计算CR扩散系数和CR传输速度的基础上的粗粒度模型等离子体物理效应。这提供了深入了解关键问题，如有效的CR运输是否是流状或扩散状，如何CR扩散系数和运输速度的环星系介质（CGM）内的变化，以及在何种程度上的两个时刻近似需要忠实地捕捉这些效果。我们发现，CR-扩散系数达到一个稳定的状态，在大多数环境中的显着的例外，我们新发现的阿尔文波暗区的环形风磁场几乎垂直于CR的压力梯度，使CR是无法激发回转共振阿尔文波。然而，CR运输本身不能达到一个稳定的状态，并没有很好地描述的CR流范式，CR扩散范式或两者的组合。
2022-03-22 astro-ph.GA astro-ph.HE
Realistic modeling of wind and supernovae shocks in star clusters: addressing ${\rm ^{22}Ne/^{20}Ne}$ and other problems in Galactic cosmic rays
宇宙线（CR）源在CR的同位素丰度中留下签名。目前的银河系CRs模型认为超新星（SNe）冲击作为粒子加速的主要场所，不能令人满意地解释较高的${\rm ^{22}Ne/^{20}Ne}$比CRs相比，星际介质。虽然已经调用了来自大质量恒星的恒星风，但它们相对于SNe喷出物的贡献一直被视为自由参数。在这里，我们提出了一个理论计算的相对贡献的风终止冲击（WTS）和SNe冲击的超级气泡，基于流体动力学的风在集群中，标准的恒星质量函数，恒星演化理论。我们发现，WTS对总CR生产的贡献至少是$25\%$，这上升到$\gtrsim 50\%$年轻（$\lesssim 10$ Myr）集群，并解释了观察到的$^{22}{\rm Ne}/^{20} {\rm Ne}$比。我们认为，由于显然孤立的超新星遗迹（SNRs）的祖先出生在大规模的星团，无论是WTS和SNe冲击可以集成到一个组合的情况下，CR被加速在大规模的集群。这种情况是一致的观测比率的SNRs $γ$ -射线亮（$L_γ\gtrsim 10^{35}$ erg s $^{-1}$）星团，作为预测的星团质量函数。此外，WTS可以将CR加速到PeV能量，并解决CR加速标准超新星范式的其他长期问题。
2019-10-22 astro-ph.GA astro-ph.HE
A detailed kinematic study of 3C 84 and its connection to Gamma-rays
3C 84（NGC 1275）是英仙座星团的明亮射电核心。即使在没有强相对论效应的情况下，该源也已在高达TeV能量的伽马射线中被检测到。尽管对它进行了深入的研究，但负责源中高能发射的物理过程仍然没有答案。我们提出了一个详细的运动学研究的源和它的连接到伽马射线发射。次秒差距尺度的射电结构主要是由缓慢移动的功能，在东部和西部车道的喷流。喷流似乎在不到125000重力半径的范围内加速到最大速度。在喷流中可靠检测到的最快速度约为0.9 c。这导致最小洛伦兹因子约为1.35。我们的分析表明，在源中存在多个高能量站点。如果伽马射线与喷流的运动学变化有关，那么它们在喷流的东部和西部通道都产生。三个伽马射线耀斑是同时期的缓慢移动的发射区分裂成两个子区域。我们估计这些事件的重要性为~2-3 σ。我们测试了我们的结果对理论预测的磁重联引起的微型射流和湍流，并发现它们兼容。
2021-04-07 astro-ph.GA astro-ph.HE
Exploring the physics behind the non-thermal emission from star-forming galaxies detected in gamma rays
恒星形成星系（SFG）发射从无线电到伽马射线的非热辐射。我们的目标是调查的主要机制，全球CR运输和冷却的SFG。它们在塑造非热光度和SFR之间关系方面的贡献方式可以揭示它们的本质。我们开发了一个模型来计算SFG的CR人口，考虑到他们的生产，运输和冷却。该模型仅通过全球星系属性参数化，并描述了无线电和伽马射线的非热发射。我们专注于银河风的扩散和平流运输的作用，无论是由湍流或热不稳定性。我们比较模型预测的意见，我们编译一套均匀的光度在这些无线电波段，并更新那些可用的伽马射线。我们的模型再现合理以及所观察到的伽马射线或1.4 GHz的无线电光度和SFR之间的关系，假设一个单一的幂律缩放的磁场与后者的指数β =0.3，风吹在阿尔芬速度或典型的星爆风速。对于> 30 Mo/年，CR逃逸可忽略不计。一个恒定的电离分数的星际介质未能再现150兆赫的无线电光度在整个SFR范围。我们的研究结果加强了这样一种想法，即具有高SFR的星系是CR量热计，并且驱动质子逃逸的主要机制是扩散，而电子逃逸也通过风平流进行。他们还建议，这些风应该是CR或热驱动在低和中等SFR，分别。我们的研究结果在全球范围内支持磁流体动力学湍流是负责的SFR上的磁场强度的依赖性和电离分数是强烈不利的，在整个SFR范围内是恒定的。
2021-09-23 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic rays across the star-forming galaxy sequence. II: Stability limits and the onset of cosmic ray-driven outflows
宇宙射线（CR）是一种从恒星形成星系盘中发射冷物质风的合理机制。然而，对于哪种类型的星系可能拥有CR驱动的风，或者这些风在调节星系的恒星形成率方面可能扮演什么角色，还没有达成共识。使用在本系列的前一篇论文中开发的强子CRs的传输和损失的详细处理，在这里，我们开发了一个半分析模型，使我们能够评估使用CRs从星系盘发射冷风的可行性。特别是，我们确定了临界CR通量-和相应的恒星形成率表面密度-在给定的星系内的流体静力平衡被排除，因为CR驱动器的气体在风中或以其他方式使其不稳定。我们发现，对于恒星形成的星系与较低的气体表面密度典型的银河系和当地的矮星，这个CR稳定性曲线的轨迹巡逻的高边观察到的星系分布在Kennicutt-Schmidt参数空间的恒星形成率与气体表面密度。然而，强子损失使得CR无法在表面密度更高的星系中驱动风。我们的研究结果表明，像银河系这样的静止的，低表面密度的星系处于不稳定的尖端，这样ISM参数的微小变化可以导致发射CR驱动的外流，我们建议，因此，CR反馈设置了最现代星系的恒星形成效率的最终限制。
2020-06-30 astro-ph.GA astro-ph.HE
Efficient cold outflows driven by cosmic rays in high redshift galaxies and their global effects on the IGM
我们提出了半解析模型的星系外流在高红移星系驱动的热气体和非热宇宙射线。在低质量星系（即$M\sim 10^8$ ~M $_\odot$）中，当超新星（SNe）反馈具有大质量负载时，单独的热压力可能无法维持大规模的外流。我们表明，包括宇宙射线压力允许流出的解决方案，即使在这些星系。在大质量星系中，对于相同的能量效率，与纯热驱动风相比，宇宙射线驱动风可以传播到更远的距离。平均而言，宇宙射线驱动的风中的气体温度较低，这有助于通过背景源光谱中的吸收线进行检测。利用我们的星系形成的约束半解析模型（解释了观测到的星系紫外光度函数），我们研究了宇宙线驱动风对不同红移星系际介质（IGM）性质的影响。特别是，我们研究的体积填充因子，平均金属丰度，宇宙射线和磁场能量密度的模型调用原子冷却和分子冷却晕。我们发现，在IGM的宇宙射线可以有足够的能量，可以转移到热气体存在的磁场，影响星系际介质的热历史。IGM磁场的显著体积填充和由此产生的强度也可以解释最近对耀变体的$γ$射线观测。
2018-01-31 astro-ph.CO astro-ph.GA
Clumping and X-Rays in cooler B supergiant stars
本研究通过光谱分析结合风团块与X射线，首次重现了较冷B型超巨星的关键紫外谱线，并发现其风结构较弱，演化状态多样，为双稳定性跳变附近质量损失率增加提供证据。
2023-07-21 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
