Cosmic ray diffusion in magnetic fields amplified by nonlinear turbulent dynamo
本研究探索无强平均磁场时非线性湍流发电机放大磁涨落中的宇宙线扩散,通过测试粒子模拟识别三种扩散机制,发现扩散空间不均匀性及不同能量CR的扩散行为差异,强调磁场不均匀性的基础作用。
2024-09-12 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic ray streaming in the turbulent interstellar medium
本文研究了$-100~$ GeV宇宙射线在湍流星际介质中的流动不稳定性及其阻尼。我们发现流不稳定性的阻尼主要由弱电离分子云中的离子-中性碰撞阻尼、高电离暖介质中的湍流阻尼和星系晕中的非线性朗道阻尼所控制。只有在星系晕中,CR的流动速度接近阿尔文速度。Alfvénic湍流通过磁场线缠结在抑制流动不稳定性和调节流动CRs扩散方面起着重要作用,流动CRs在观测坐标系中的有效平均自由程由超Alfvénic湍流的Alfvénic尺度决定.得到的扩散系数对Alfvén马赫数很敏感,在多相ISM中,Alfvén马赫数具有很大的取值范围。超Alfvénic湍流有助于流动CR的额外限制,无论占主导地位的阻尼机制。
2022-01-20 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
No longer ballistic, not yet diffusive--the formation of cosmic ray small-scale anisotropies
TeV-PeV宇宙射线的到达方向是非常均匀的,这是由于它们在湍流磁场上的散射使方向各向同性。小的各向异性可以存在于标准的扩散模型,但是,只有在最大的角度尺度。然而,像IceCube和HAWC这样的高统计观测站已经发现了从各向同性到小角度尺度的显着偏差。在这里,我们解释了小尺度各向异性的形成,考虑对宇宙射线,得到相关的运输通过相同的实现的湍流磁场。我们认为,小规模的各向异性的形成是反映的特定实现的湍流磁场所经历的宇宙射线之间的早期,弹道制度和后期,扩散制度的时间尺度。我们以两种不同的方式来处理这个问题:首先,我们在合成湍流中运行测试粒子模拟,首次覆盖了具有现实湍流参数的观测的TV刚性。其次,我们扩展了最近推出的混合矩阵方法,并确定了稳态角功率谱。在整个过程中,我们采用静磁,板状湍流。我们发现,在这两种方法在很大范围内的刚性的预测角功率谱之间的良好协议。在未来,测量小尺度的各向异性将是有价值的约束性质的湍流磁场在我们的银河系附近。
2021-11-11 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic Ray transport in turbulent magnetic field
磁湍流的性质决定了宇宙线的输运和加速。磁流体湍流的最新进展要求对宇宙线输运的范式进行修正。我们采用的是在数值模拟中经过检验的磁流体动力学湍流模型,其中湍流在大尺度下注入,在小尺度下级联。我们将讨论平行和垂直于磁场的CR的传输问题。我们将从准线性和非线性理论两方面论证可压缩快模是宇宙线的主要散射体。我们还将表明,CR的自生波的增长受到预先存在的湍流的约束,并详细讨论了在超新星遗迹的冲击加速及其影响的背景下的过程。此外,我们将详细讨论由大尺度可压缩湍流引起的宇宙射线动力学回旋共振不稳定性的非线性增长。这种宇宙射线对湍流的回旋共振被证明是除了与可压缩湍流直接相互作用之外的一种重要的散射机制。大尺度湍流不稳定性的反馈应包括在未来的模拟。
2013-09-16 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Turbulent Reacceleration of Streaming Cosmic Rays
亚音速压缩湍流将能量传递给宇宙射线(CR),这一过程称为非共振再加速。它经常被用来解释观察到的比率,初级到二级CR在$\sim \rm GeV$能量,假设完全扩散CR运输。然而,这种估计忽略了CR自我限制和流的影响。我们研究这些问题,在搅拌箱磁流体动力学(MHD)模拟使用雅典娜++,与场对齐的扩散和流CR运输。对于扩散,我们发现CR再加速率与分析预测吻合得很好。当包括流时,再加速率取决于血浆$β$。由于CR和气体变量之间的流修正相移,它们在低$β$环境(如星际介质(ISM))中比正则再加速速率慢,但在高$β$环境(如团内介质(ICM))中保持不变。我们还量化了模拟中的流能量损失率。对于亚Alfvénic湍流,由于平均场和各向同性CR梯度之间的不对准,与各向同性损失率$v_{A} \cdot \nabla P_{\rm CR} / P_{\rm CR} \sim v_{A}/L_{0}$相比,它与分辨率相关(因此在大规模模拟中不收敛)并受到严重抑制(抑制幅度为一个数量级)。与直觉相反,并且与加速效率不同,CR损耗几乎与$β\sim 1-100$上的磁场强度无关,因此,当包括流时,CR损耗不是较低加速率背后的主要因素。虽然本文主要关注的是湍流如何影响CR,在后续文件(巴斯塔和哦,在准备),我们考虑CR如何影响湍流转移能量从MHD级联,改变路径的气体加热和陡峭的湍流功率谱。
2023-01-19 astro-ph.GA astro-ph.HE
Study of the effect of turbulent interstellar mediums on young supernova remnant morphology
本文通过三维纯流体动力学模拟和Kolmogorov密度扰动,检验湍流ISM对年轻超新星遗迹结构的影响,发现其可解释爆炸波与接触间断面接近及第谷速度平台。
2022-12-24 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic-ray driven dynamo in galactic disks
我们提出了新的发展,宇宙射线驱动,银河发电机,建模的直接,电阻CR-MHD模拟,ZEUS和PIERNIK代码进行。发电机的作用,导致放大的大尺度星系磁场的星系旋转时标,出现作为一个结果,星系的差异旋转,浮力的宇宙线分量和电阻耗散的小尺度湍流磁场。我们的新结果包括证明由超新星遗迹中提供的宇宙射线驱动的全球-银河发电机作用。新的一系列全球星系发电机模型的一个重要成果是气体湍流能量与磁场能量和宇宙线能量均分,在大星系尺度上的发电机饱和状态。
2008-12-31 astro-ph.GA astro-ph.HE
Formation of the cosmic-ray halo: Galactic spectrum of primary cosmic rays
本文提出了一个银河系盘周围的一维宇宙线晕的自洽模型。结果表明,MHD波的湍流级联在晕的形成中不一定起重要作用。相反,随着到磁盘的距离的阿尔芬速度的增加导致一个有效的通用机制的湍流红移,增强CR散射的自生MHD波。其结果是,计算的CR晕在较低的能量的大小是由晕鞘,一个能量依赖的区域周围的磁盘超过CR逃逸成为纯粹的平流。在足够高的能量下,晕圈的大小由电离气体分布的特征厚度决定。计算的银河系质子光谱与观测结果非常吻合,再现了~ 0.6 TeV处的光谱突变位置和~ 10 TeV的光谱形状。
2020-09-18 astro-ph.GA astro-ph.HE
Turbulent diffusion of streaming cosmic rays in compressible, partially ionised plasma
宇宙射线是星系星际介质的重要动力学组成部分。携带大部分CR能量和压力的$\sim$ GeV CR可能受到自生湍流的限制,导致它们以离子阿尔文速度沿着磁场线流动。然而,自约束CR传播星系尺度上的后果仍然是高度不确定的。在本文中,我们使用一个大的合奏的磁流体动力学湍流模拟来量化的基本参数描述ISM湍流-音速马赫数,$\mathcal{M}$(等离子体压缩性),阿尔文马赫数,$\mathcal{M}_{A0}$(强度的大规模领域相对于湍流),和电离质量分数,$χ$ -影响运输流CR。我们表明,大规模的运输CR的小规模运动包括沿场线的流动是很好地描述为一个组合的流动沿平均场和超扩散都沿(parallel to)and across(垂直于)它; $\mathcal{M}_{A0}$驱动平行和垂直扩散之间的各向异性水平,而$χ$调制扩散系数的大小,而在我们选择的单位中,$\mathcal{M}$不重要,但在亚阿尔夫韦尼克($\mathcal{M}_{A0} \lesssim 0.5$)方案中除外。我们的发现,超扩散是无处不在的可能解释了CR扩散系数之间的明显差异,推断从测量接近个别来源相比,在更大的,银河系尺度上测量。最后,我们提出了经验适合的扩散系数作为等离子体参数的函数,可用作全球星际介质,星系或宇宙学模拟的亚网格配方。
2022-11-03 astro-ph.GA astro-ph.HE
Turbulence, Thermal Pressure, and Their Dynamical Effects on Cosmic Baryonic Fluid
本研究利用IllustrisTNG模拟和连续小波变换分析宇宙重子流体的湍流与热压,揭示了湍流压强的演化规律及环境依赖性,并发现湍流压会抵消热压的结构支撑作用,挑战了传统认知。
2024-07-18 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.flu-dyn
Cosmic Ray Drag and Damping of Compressive Turbulence
本文通过磁流体动力学模拟揭示宇宙线可从压缩湍流中吸收能量并导致功率谱阻尼与变陡,且优先阻尼压缩分量,使小尺度湍流趋于螺线管性质,并指出观测速度弥散可能严重低估湍流强迫率。
2023-08-14 astro-ph.GA astro-ph.HE
Synthetic line and continuum observations of simulated turbulent clouds: the apparent widths of filaments
丝状结构在真实分子云的观测中无处不在,在湍流、自引力气体的模拟中也是如此。然而,观测和模拟之间的比较是复杂的估计体积密度观测的困难。在这里,我们有一个湍流等温分子云的后处理流体动力学模拟,使用一个完整的时间依赖的化学网络。然后,我们运行辐射转移模型,以获得合成线和连续强度,可以直接与观察到的。我们发现,长丝有一个特征宽度$\,\sim\!0.1 \, {\rm pc}$,无论是在地图上的真实表面密度,并在地图上的$850 \, {\rm μm}$灰尘连续排放,与以前的工作。在CO同位素谱线发射图上,由于谱线强度与表面密度的相关性很差,灯丝的表观宽度通常要大几倍。在稠密气体示踪剂(如N、$_2$、H、$^+$和HCN)的线发射图上,细丝的视宽度为$\lesssim 0.1 \, {\rm pc}$。因此,目前的分子线发射观测与从${\it Herschel}$观测中推断出的通用$0.1 \, {\rm pc}$灯丝宽度是相容的,只要适当考虑丰度、光学深度和激发因素。我们发现的证据$\sim 0.4 \, {\rm km \, s^{-1}}$径向速度的差异,通过细丝。这些径向速度差异可能是一个有用的指标的机制,通过该机制的细丝已经形成或正在形成,例如湍流云的情况下,这里模拟,而不是其他机制,如云-云碰撞。
2020-10-06 astro-ph.GA
Test particle simulations of cosmic rays
宇宙射线传输的建模和宇宙射线数据的解释最终依赖于对带电粒子与湍流磁场相互作用的坚实理解。过去50年的范式一直是所谓的准线性理论,尽管存在一些众所周知的问题。在没有一个广泛接受的准线性理论的扩展,波粒相互作用也必须在数值模拟中进行研究,其中的运动方程直接求解的湍流磁场的实现。这种宇宙射线的测试粒子模拟的应用是多方面的:测试输运理论,计算扩散系数等参数或预测标准扩散理论之外的现象,例如宇宙射线小尺度各向异性。在这篇评论中,我们试图给一个低层次的介绍测试粒子模拟的宇宙射线,使读者能够执行自己的测试粒子模拟。我们首先回顾了准线性理论,突出了它的一些问题和建议的扩展。接下来,我们总结了测试粒子模拟的最新技术,并给出了生成合成湍流的具体方法。我们提出了一对夫妇的例子,这种模拟的应用程序和评论的一个重要的概念细节回溯的粒子。
2020-08-06 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic Ray Feedback on Bi-stable ISM Turbulence
本文通过双区宇宙线输运数值模拟,研究宇宙线如何在小尺度上与星际介质耦合,发现冷气体中较快扩散促进冷气体形成,暖气体中较慢扩散使宇宙线从湍流中获取能量,并能匹配银河系 grammage 观测。
2024-10-01 astro-ph.GA astro-ph.HE
Diffusion of PeV Cosmic Rays in the Turbulent and Multiphase Interstellar Medium
Institute for Advanced Study(高等研究院)
研究高能宇宙射线在多相星际介质中的传输机制,发现相变诱导的磁场梯度增强跨场扩散,但整体散射系数低于等温介质,导致扩散系数显著提高。
2026-04-06 astro-ph.GA astro-ph.HE
Synchrotron emission and neutral hydrogen in the simulated cosmic web
我们提出了ENZO宇宙学模拟运动的第一个结果,目标是宇宙网络的冲击和中性部分,由INAF-CINECA协议提供的超级计算设施。
2020-10-05 astro-ph.CO astro-ph.GA
Magnetic fields and cosmic rays in M31. II. Strength and distribution of the magnetic field components
该研究基于多波长观测与能量均分假设,测量了M31发射环面内总磁场、有序磁场等分量的强度与分布,揭示了磁场分量间的关系及物理机制,为理解星系磁场提供关键数据。
2025-07-18 astro-ph.GA
Transport of Protostellar Cosmic Rays in Turbulent Dense Cores
最近的研究表明,低能量的宇宙射线(CR)可能在分子云内部被与恒星形成有关的冲击加速。我们使用Monte Carlo运输代码来模拟通过原恒星核的原恒星吸积冲击加速的CR的传播。我们计算的CR衰减和能量损失,并计算由此产生的通量和电离率的函数,从原恒星的径向距离和角位置。我们发现,原恒星的核心有不均匀的CR通量,产生广泛的CR电离率,最大值高达两个数量级,然后在给定的距离径向平均。特别是,CR通量集中在流出腔的方向上,产生“手电筒”效应,并允许CR泄漏出堆芯。径向平均电离率小于银河系的测量值$ζ\approx 10^{-16} \rm s^{-1}$ ;然而,在距离原恒星$r \approx 0.03$ pc的范围内,最大电离率超过了这个值。我们表明,在原恒星参数的变化,特别是在吸积率,可能会产生电离率是一对夫妇的数量级高于或低于我们的基准值。最后,我们使用统计方法来模拟未解决的亚网格磁湍流的核心。我们表明,湍流修改CR光谱,并增加CR分布的均匀性,但不会显着影响电离率。
2021-04-30 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Transport of high-energy charged particles through spatially-intermittent turbulent magnetic fields
确定最高能量宇宙射线的来源需要了解它们是如何被随机的、空间上间歇性的星系间磁场偏转的。在这里,我们报告的测量充满活力的带电粒子通过激光产生的磁化等离子体与这些属性的传播。我们通过实验表征了颗粒的扩散传输。结果表明,输运是扩散的,并且对于最高能量宇宙射线的感兴趣的区域,扩散系数不受磁场的空间不稳定性的影响。
2020-03-30 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Impact of Cosmic Ray Transport on the $γ$-Ray Luminosity of Diffuse Gas
University of Wisconsin-Madison(威斯康星大学麦迪逊分校);University of Michigan(密歇根大学)
本研究通过模拟探究不同宇宙线输运机制对湍流多相弥散气体γ射线光度的影响,发现快速输运可使光度低两个数量级,且冷云凝聚引发的宇宙线再加速会显著提升光度,解释了星系周介质等弥散气体γ射线观测匮乏的现象。
2025-10-28 astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic Rays in Intermittent Magnetic Fields
宇宙射线在湍流磁场中的传播是一个由随机磁场涨落引起的带电粒子散射驱动的扩散过程。这种磁场通常是高度间歇性的,由强烈的磁丝和磁带组成,周围环绕着较弱的非结构化波动。对宇宙射线传播的研究在很大程度上忽略了非线性,而是依赖于高斯随机磁场。使用测试粒子模拟,我们调查宇宙射线在间歇性,发电机产生的磁场扩散。结果进行了比较,从非间歇性磁场具有相同的功率谱。磁不透性的存在显著增强了宇宙射线在广泛粒子能量范围内的扩散。我们证明,结果可以解释相关的随机游走。
2017-03-31 astro-ph.GA astro-ph.HE
X-ray polarization: A view deep inside cosmic ray driven turbulence and particle acceleration in supernova remnants
本文在扩散激波加速和非线性磁湍流框架内,建立了年轻超新星遗迹高偏振X射线同步辐射模型,揭示了各向异性湍流对偏振特性的影响,并指出该机制可推广至黑洞喷流激波。
2024-07-04 astro-ph.GA astro-ph.HE
Diffusion of cosmic rays in MHD turbulence with magnetic mirrors
宇宙射线(CR)的扩散是由其与磁流体动力学(MHD)湍流的相互作用决定的,是一个具有许多天体物理意义的基本物理过程。我们考虑了磁流体湍流对CRs扩散的磁镜效应。由于湍流磁场的固有超扩散,具有经历镜面反射的大螺距角的CR,即,弹跳的CR没有被捕获在磁镜之间,而是沿着湍流磁场扩散地移动,导致新型的平行扩散,即,镜面扩散这种镜面扩散通常比经历回转共振散射的具有小俯仰角的非弹跳CR的扩散慢。在磁镜像和俯仰角散射之间的平衡的临界俯仰角是重要的,用于确定弹跳和非弹跳CR的扩散系数和它们的缩放与CR能量。我们发现非普遍的能量标度的扩散系数,依赖于MHD湍流的属性。
2021-10-08 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
On energy equipartition between cosmic rays and magnetic fields
对同步加速器观测的解释通常假设磁场和宇宙射线能量密度之间存在紧密的相关性。我们使用宇宙射线的试验粒子模拟和包括宇宙射线作为扩散流体的MHD模拟来检验这个假设。我们发现在湍流尺度下,宇宙射线和磁场能量密度之间没有空间相关性。而且宇宙线数密度和磁场能量密度在统计上是独立的。然而,宇宙射线的空间分布是高度不均匀的,特别是在低能量下,因为粒子被困在随机的磁镜之间。这些结果可以显著改变同步加速器观测的解释,从而改变我们对银河系和附近螺旋星系中磁场的强度和结构的理解。
2018-10-08 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
Turbulence in Simulated Local Cluster Analogs: One-to-one comparisons between SLOW and XRISM/Hitomi
Ludwig-Maximilians-Universität München(慕尼黑路德维希-马克西米利安大学);Università degli Studi di Trieste(的里雅斯特大学);INAF - Astronomical Observatory of Trieste(意大利国家天体物理研究所的里雅斯特天文台);INFN, Instituto Nazionale di Fisica Nucleare(意大利国家核物理研究所);ICSC - Italian Research Center on High Performance Computing, Big Data and Quantum Computing(意大利高性能计算、大数据和量子计算研究中心);European Southern Observatory(欧洲南方天文台);IFPU – Institute for Fundamental Physics of the Universe(宇宙基础物理研究所);Max-Planck-Institut für Astrophysik(马克斯·普朗克天体物理学研究所)
本研究通过SLOW模拟与XRISM观测的一对一比较,揭示了三个星系团(Coma、Perseus、Virgo)中湍流强度及压力支持的差异,显示模拟结果与观测一致,且湍流压力支持比例较低,表明选择效应的重要性。
2026-03-13 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic Ray Perpendicular Superdiffusion and Parallel Mirror Diffusion in a Partially Ionized and Turbulent Medium
本研究通过三维双流体模拟发现,中性-离子退耦抑制小尺度湍流,导致宇宙线垂直超扩散呈现扩散和类弹道两种状态,且大俯仰角宇宙线因磁镜效应在冷星际介质中被有效约束。
2025-10-07 astro-ph.GA
Cosmic rays and non-thermal emission in simulated galaxies: III. probing cosmic ray calorimetry with radio spectra and the FIR-radio correlation
星系恒星形成率(SFR)的无干扰估计对于理解高红移宇宙至关重要。为此,近线性,紧密相关的远红外(FIR)和射电光度的恒星形成星系被广泛使用。虽然FIR与大质量恒星的形成有关,也会产生冲击加速宇宙射线(CR)电子和无线电同步辐射,但仍然缺乏对潜在物理学的详细了解。因此,我们进行三维磁流体动力学(MHD)模拟孤立星系的晕质量和SFRs的范围很广,使用移动网格代码AREPO,并发展CR质子能量密度自洽。在后处理中,我们计算了强子CR质子与星际介质相互作用产生的初级CR电子、冲击加速CR电子和次级CR电子的稳态谱。由此产生的总的无线电光度与所观察到的远红外区的光度,并占主导地位的初级CR电子,如果我们考虑各向异性CR扩散。在星爆中,二次辐射的贡献增加到30%,这是由较大的韧致辐射和库仑损失所补偿的。CR电子处于量热极限,并且通过与星光和宇宙微波背景(CMB)光子的逆康普顿相互作用而损失大部分能量,而较少的能量被转换为同步辐射。这意味着陡峭的稳态同步辐射光谱在星爆。有趣的是,我们发现,热自由-自由发射硬化的总无线电频谱在高射频和调和量热理论与观测,而自由-自由吸收解释了观察到的低频率平坦化的中心地区的恒星爆发。
2021-05-25 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
Cosmic Rays or Turbulence can Suppress Cooling Flows (Where Thermal Heating or Momentum Injection Fail)
淬火"维护"和"冷却流"的问题是重要的,从银河系通过大规模集群椭圆星系。以前的工作表明,除了来自恒星和纯磁流体动力学过程的能量之外,还需要一些能量来源,也许来自活动星系核,但即使是这种能量输入的定性形式也仍然不确定。不同的设想包括热"加热"、直接风或动量注入、宇宙射线加热或压力支持、或团内介质的湍流"搅动"。我们调查这些在$10^{12}-10^{14}\,{\rm M}_{\odot}$晕使用高分辨率的非宇宙学模拟与消防-2(反馈在现实环境中)恒星反馈模型,包括简化的玩具能量注入模型,在那里我们任意改变的强度,注入规模,和能量的物理形式。我们探讨哪些情况下可以淬火,而不违反观测约束的能量或ICM气体。我们表明,湍流搅拌在中央$\sim100\,$ kpc,或宇宙射线注入,都可以保持一个稳定的低SFR晕$>$陀螺仪的时间尺度与适度的能量输入,通过提供一个非热的压力,稳定地降低核心密度和冷却速率。在这两种情况下,相关的热加热过程可以忽略不计。湍流搅拌保留了冷的核心特征,同时将冷凝的核心气体混合到较热的晕中,是迄今为止最节能的模型。纯粹的热加热或核各向同性动量注入需要更大的能量,在低质量晕中效率较低,容易使核心过热,并且需要微调以避免驱动非物理温度梯度或从晕中心排出气体。
2018-12-10 astro-ph.GA
FirstLight III: Rest-frame UV-optical spectral energy distributions of simulated galaxies at cosmic dawn
使用FirstLight数据库的300放大宇宙学模拟,我们提供了休息帧的紫外光谱能量分布的星系与复杂的恒星形成的历史,耦合到非均匀的气体吸积历史的星系晕在宇宙黎明。在任何红移下,星系群都是非常多样的,从恒星暴到静止星系,甚至是固定恒星质量的星系。这驱动着紫外线光度和恒星质量之间的红移依赖关系,具有较大的散射,由特定的恒星形成率驱动。紫外线斜率和莱曼连续光子的生产效率有很高的值,与灰尘校正的观测结果一致。这表明年轻的恒星星族具有低金属丰度。FirstLight模拟对z=6-12的星系的静止帧UV光学绝对星等,颜色和光学发射线进行了预测,这些星系将在未来十年内首次使用JWST和下一代望远镜进行观测。
2019-01-08 astro-ph.CO astro-ph.GA
Testing Feedback Regulated Star Formation in Gas Rich, Turbulent Disk Galaxies
在本文中,我们比较了分子气体耗尽时间和中面流体静压在湍流,恒星形成盘星系,这些星系的内部属性。在这项分析中,我们使用了17个星系从附近的($z\sim0.1$)湍流盘的CAMO样本。我们发现了一个很强的相关性,这样的星系与较低的分子气体耗尽时间(t_{dep})有较高的气体速度色散($σ$)。在我们的数据的分散,我们的观察是一致的预测,耗尽时间是成反比的速度分散的反馈调节恒星形成的理论。我们还显示了一个强大的,单一的幂律相关性之间的中面压力(P)和恒星形成率表面密度(Sigma_{SFR}),其中延伸的6个数量级的压力。发现具有较低压力的盘星系与理论预测大致一致。然而,在高压星系中,我们发现P/ Sigma_{SFR}值明显大于理论预测。我们的观测结果可以用以下任何一种情况来解释:(1)SFR-P的相关性是显著的次线性;(2)恒星形成反馈注入的动量(所谓的p*/m*)不是一个单一的普适值;(3)在富气盘星系中,交替的压力支持源是重要的。最后利用已发表的观测结果,我们发现我们的结果与t_{dep}(z)的宇宙演化和速度色散是一致的。我们对这些结果的解释是,t_{dep}的宇宙演化可能不仅受到气体供应的调节,而且还受到恒星形成的内部调节。
2018-11-07 astro-ph.GA
Properties of simulated galaxies and supermassive black holes in cosmic voids
宇宙空洞,宇宙网的低密度区域,被广泛用于限制宇宙学。空洞包含少数孤立的星系,据推测它们进化程度较低,并保留着原始宇宙的记忆。我们使用宇宙流体动力学模拟Horizon-AGN耦合到空洞探测器{ \sc \texttt{VIDE} }来研究z=0时空洞中星系的性质。我们发现,在更靠近空洞中心的地方,低质量星系比大质量星系更常见。在固定的暗物质晕质量下,它们的恒星质量比密度更大的区域更小。当接近空洞中心时,空洞星系的恒星形成率会降低,但它们的sSFR略有增加,这表明空洞星系相对于它们的恒星质量更有效地形成恒星。我们发现,这不仅可以归因于低质量星系的普遍存在。空隙的内部区域也主要是低质量BH的宿主。然而,黑洞质量与星系质量之比与z=0时的整个模拟结果相似。我们的研究结果表明,即使宇宙空洞中的生长通道与密度较大的环境不同,空洞也会以类似的方式生长星系和黑洞。在硬X射线(2-10 keV)下,我们发现大部分黑洞的爱丁顿比都很低,但仍有20%的黑洞可以观测到活动星系核,其log 10 L=41.5-42.5 erg/s。这些结果为未来更大规模的下一代水力模拟工作铺平了道路,旨在确认我们的研究结果,并为即将到来的大型调查(如PFS,Euclid和WFIRST)的数据应用做好准备。
2020-01-21 astro-ph.GA
The Role of Cosmic Ray Transport in Shaping the Simulated Circumgalactic Medium
大多数银河系重子位于银盘之外的弥漫气体中,称为环星系介质(CGM)。虽然最先进的模拟在再现星系盘属性方面表现出色,但许多人都在努力驱动强大的星系风或仅使用热超新星反馈来匹配CGM的观测电离结构。为了解决这个问题,最近的研究已经调用了非热宇宙射线(CR)恒星反馈处方。然而,CR输运的数值方案仍然受到很差的约束。我们探讨了CR运输的选择如何影响模拟CGM的多相结构。我们实现各向异性CR物理的天体物理模拟代码,{ \sc恩佐}和模拟一套孤立的盘星系与不同的处方CR运输:各向同性扩散,各向异性扩散,和流。我们发现,所有这三种传输机制的结果在强大的,富含金属的流出,但不同的温度和电离结构的CGM。各向同性扩散导致空间均匀的温暖CGM,其低估了低离子的柱密度。各向异性扩散形成了一个冷气体库,从银河系中心延伸得更远,但随着距离的增加而迅速分散。CR流将冷却气体投射到200 kpc的半径,支持真正的多相介质。此外,我们发现,流是不太敏感的恒定参数值的变化,如CR注射分数,运输速度和分辨率比扩散。我们的结论是,CR流是一个更强大的实现CR运输和激励需要详细的参数研究CR运输。
2018-10-22 astro-ph.GA
Synchrotron Emission on FIRE: Equipartition Estimators of Magnetic Fields in Simulated Galaxies with Spectrally-Resolved Cosmic Rays
基于FIRE模拟首次生成了具有能谱分辨宇宙射线的L*星系的合成同步辐射预测,发现传统均分假设会低估致密气体中的真实磁场,并提出了多相介质中磁场估计的改进解析框架。
2024-01-09 astro-ph.GA
How complex is the cosmic web?
大尺度宇宙结构的发展是一个美丽的例子,说明复杂性如何在我们的宇宙中出现,从简单的初始条件和简单的物理定律开始。使用{ \enzo }宇宙学数值模拟,我应用信息论的工具(即“统计复杂性”)来量化模拟宇宙体积中的复杂性,作为宇宙时代和环境的函数。这种分析可以量化预测的困难程度,至少在统计意义上,是宇宙中普通物质的主要成分(银河系内介质等离子体)的热能,动能和磁能的演变。模拟宇宙网中最复杂的环境通常是大尺度结构(例如星系团和细丝)的外围,其复杂性平均是更稀薄区域的$\sim 10-10^2$倍,即使后者主导了模拟宇宙的体积综合复杂性。如果在$\approx 100 $ $\rm kpc/h$分辨率和$\approx 200$ $\rm Myr$时间尺度上测量宇宙网中气体的能量演化,其总复杂性是$\sim 10^{16}-10^{17} \rm ~bits$的范围,几乎不依赖于假设的气体物理学,宇宙学或宇宙方差。
2019-11-25 astro-ph.CO astro-ph.GA nlin.AO
Numerical study of Cosmic Ray Diffusion in MHD turbulence
利用测试粒子模拟方法研究了宇宙射线在湍流磁场中的扩散。电磁场是在湍流的直接数值MHD模拟中产生的,并用作粒子跟踪的输入,忽略湍流上的粒子反馈。从测试粒子运行的统计输运系数进行了比较与早期的分析预测。我们发现它们之间的定性对应关系在CR扩散的各个方面。在不可压缩的情况下,我们认为在本文中,占主导地位的散射机制发生的非共振镜与慢模扰动的相互作用。超导输运与磁场漂移产生的结果大致一致。
2010-02-15 astro-ph.GA
The dynamical and thermodynamic effects of turbulence on the cosmic baryonic fluid
College of Physics, Jilin University(吉林大学物理学院);Center for High Energy Physics, Peking University(北京大学高能物理中心)
研究发现湍流对宇宙等离子体流体的动力学和热力学效应至关重要,解释了WHIM的起源并质疑了传统激波加热观点。
2026-01-07 astro-ph.CO astro-ph.GA
Learning the Cosmic Web: Graph-based Classification of Simulated Galaxies by their Dark Matter Environments
University College London(伦敦大学学院);University of Portsmouth(朴茨茅斯大学);Max-Planck-Institut für Astronomie(马克斯·普朗克天文学研究所);Max-Planck-Institut für Radioastronomie(马克斯·普朗克射电天文研究所)
本文提出基于图的机器学习分类器,通过模拟星系的暗物质宇宙网环境进行分类,利用图注意力网络提高分类精度,展示图表示在推断暗物质环境中的有效性。
2025-12-05 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Infrared complex refractive index of astrophysical ices exposed to cosmic rays simulated in the laboratory
在星际介质(ISM)的稠密和寒冷区域,分子可能被吸附在尘埃颗粒上形成冰幔。一旦形成,它们可以被来自恒星或星际介质的电离辐射处理,导致在冰中形成几个新的分子。在众多的电离辐射中,宇宙射线由于在冰中沉积了大量的能量,在固态化学中起着重要的作用。由天体物理冰的高能处理引起的物理化学变化记录在物质的一个称为复折射率(CRI)的内在参数中。本文首次给出了在实验室中用宇宙线模拟处理的13种不同含水冰在2.0 - 16.6微米红外波段的39个复折射率(n,k)的星表。通过使用NKABS(从吸收数据确定N和K的首字母缩略词)代码进行计算,该代码采用Lambert-Beer和Kramers-Kronig方程来计算n和k的值。结果也可在网站上查阅:http://www1.univap.br/gaa/nkabs-database/data.htm。作为测试案例,H2O:NH3:CO2:CH 4冰被用于原行星盘的辐射转移模拟,以表明这些数据对于再现含冰的YSO光谱是必不可少的。
2016-09-15 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
Dust Temperature and Emission of FirstLight Simulated Galaxies at Cosmic Dawn
本文利用POLARIS2蒙特卡洛光子传输模拟器,结合FirstLight星系模型、DDSCAT尘埃模型和BPASS恒星光谱,研究红移6和8处星系的尘埃温度与红外辐射,揭示了高红移下宇宙微波背景对尘埃的额外加热会显著增强中远红外辐射。
2022-10-17 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.comp-ph
The Turbulent Dynamo in Highly Compressible Supersonic Plasmas
这个动荡的发电机可以解释宇宙磁力的起源。虽然磁场的指数放大已经在不可压缩气体中进行了研究,但对高度可压缩的超音速等离子体(如星系的星际介质和早期宇宙)中的发电机作用知之甚少。在这里,我们进行了第一次定量比较的理论模型的发电机增长率和饱和度与三维磁流体动力学模拟超音速湍流与网格分辨率高达1024^3细胞。我们获得了数值收敛性,并发现发电机作用在低和高磁普朗特数Pm = nu/eta = 0.1-10(粘性耗散与磁耗散之比)时都发生,而这在超音速湍流中只在Pm >= 1时才出现。我们测量了临界磁雷诺数,Rm_crit = 129(+43,-31),表明可压缩发电机几乎与不可压缩气体一样有效。考虑到现在和早期宇宙的物理条件,我们得出结论,磁场需要考虑从早期到现在的宇宙年龄的结构形成过程中,因为它们抑制气体碎裂和驱动强大的喷流和外流,都极大地影响了恒星的初始质量函数。
2014-12-01 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR