Cosmic-Ray Transport in Varying Galactic Environments

被引：28

作者：

Armillotta, Lucia ^{[1
]}

Ostriker, Eve C. ^{[1
]}

Jiang, Yan-Fei ^{[2
]}

机构：

[1] Princeton Univ, Dept Astrophys Sci, Princeton, NJ 08544 USA

[2] Flatiron Inst, Ctr Computat Astrophys, New York, NY 10010 USA

来源：

ASTROPHYSICAL JOURNAL | 2022年 / 929卷 / 02期

关键词：

FORMING GALAXY SEQUENCE; MAGELLANIC-CLOUD; WINDS DRIVEN; PROPAGATION; CONFINEMENT; ACCELERATION; EQUILIBRIUM; SIMULATIONS; SCATTERING; OUTFLOWS;

D O I：

10.3847/1538-4357/ac5fa9

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

We study the propagation of mildly relativistic cosmic rays (CRs) in multiphase interstellar medium environments with conditions typical of nearby disk galaxies. We employ the techniques developed in Armillotta et al. to postprocess three high-resolution TIGRESS magnetohydrodynamic simulations modeling local patches of star-forming galactic disks. Together, the three simulations cover a wide range of gas surface density, gravitational potential, and star formation rate (SFR). Our prescription for CR propagation includes the effects of advection by the background gas, streaming along the magnetic field at the local ion Alfven speed, and diffusion relative to the Alfven waves, with the diffusion coefficient set by the balance between streaming-driven Alfven wave excitation and damping mediated by local gas properties. We find that the combined transport processes are more effective in environments with higher SFR. These environments are characterized by higher-velocity hot outflows (created by clustered supernovae) that rapidly advect CRs away from the galactic plane. As a consequence, the ratio of midplane CR pressure to midplane gas pressures decreases with increasing SFR. We also use the postprocessed simulations to make predictions regarding the potential dynamical impacts of CRs. The relatively flat CR pressure profiles near the midplane argue that they would not provide significant support against gravity for most of the ISM mass. However, the CR pressure gradients are larger than the other pressure gradients in the extraplanar region ( divide z divide > 0.5 kpc), suggesting that CRs may affect the dynamics of galactic fountains and/or winds. The degree of this impact is expected to increase in environments with lower SFR.

引用

页数：23

共 96 条

[1] Detection of the Small Magellanic Cloud in gamma-rays with Fermi/LAT [J].

Abdo, A. A. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

Bouvier, A. ;

Brandt, T. J. ;

Bregeon, J. ;

Brez, A. ;

Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

Buehler, R. ;

Buson, S. ;

Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

Caraveo, P. A. ;

Carrigan, S. ;

Casandjian, J. M. ;

Cecchi, C. ;

Celik, Oe. ;

Charles, E. ;

Chekhtman, A. ;

Cheung, C. C. ;

Chiang, J. ;

Ciprini, S. ;

Claus, R. ;

Cohen-Tanugi, J. ;

Conrad, J. ;

Dermer, C. D. ;

de Palma, F. ;

Digel, S. W. ;

do Couto e Silva, E. ;

Drell, P. S. ;

Dubois, R. ;

Dumora, D. ;

Favuzzi, C. ;

Fegan, S. J. ;

Fukazawa, Y. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2010, 523

[2] Fermi Large Area Telescope observations of Local Group galaxies: detection of M31 and search for M33 [J].

Abdo, A. A. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Allafort, A. ;

Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Barbiellini, G. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

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Blandford, R. D. ;

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Borgland, A. W. ;

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Brandt, T. J. ;

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Brigida, M. ;

Bruel, P. ;

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Caliandro, G. A. ;

Cameron, R. A. ;

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Cecchi, C. ;

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Drlica-Wagner, A. ;

Dubois, R. ;

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Fortin, P. ;

Frailis, M. .

ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2010, 523

[3] Observations of the Large Magellanic Cloud with Fermi [J].

Abdo, A. A. ;

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Atwood, W. B. ;

Baldini, L. ;

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ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2010, 512

[4] High Statistics Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-500 GeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station [J].

Accardo, L. ;

Aguilar, M. ;

Aisa, D. ;

Alpat, B. ;

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Casaus, J. ;

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Cerreta, D. ;

Cervelli, F. ;

Chae, M. J. ;

Chang, Y. H. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2014, 113 (12)

[5] DEVELOPMENT OF THE MODEL OF GALACTIC INTERSTELLAR EMISSION FOR STANDARD POINT-SOURCE ANALYSIS OF FERMI LARGE AREA TELESCOPE DATA [J].

Acero, F. ;

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

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Cuoco, A. ;

Cutini, S. ;

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de Angelis, A. ;

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Digel, S. W. ;

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Ferrara, E. C. ;

Focke, W. B. ;

Franckowiak, A. ;

Funk, S. ;

Fusco, P. ;

Gargano, F. .

ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2016, 223 (02)

[6] Fermi establishes classical novae as a distinct class of gamma-ray sources [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Albert, A. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

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D'Ammando, F. ;

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Donato, D. ;

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Favuzzi, C. ;

Ferrara, E. C. ;

Focke, W. B. ;

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Fuhrmann, L. ;

Fukazawa, Y. .

SCIENCE, 2014, 345 (6196) :554-558

[7] GeV OBSERVATIONS OF STAR-FORMING GALAXIES WITH THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Allafort, A. ;

Baldini, L. ;

Ballet, J. ;

Bastieri, D. ;

Bechtol, K. ;

Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Bloom, E. D. ;

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ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2012, 755 (02)

[8] Precision Measurement of the Proton Flux in Primary Cosmic Rays from Rigidity 1 GV to 1.8 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station [J].

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Aisa, D. ;

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Battarbee, M. ;

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Bazo, J. ;

Becker, U. ;

Behlmann, M. ;

Beischer, B. ;

Berdugo, J. ;

Bertucci, B. ;

Bigongiari, G. ;

Bindi, V. ;

Bizzaglia, S. ;

Bizzarri, M. ;

Boella, G. ;

de Boer, W. ;

Bollweg, K. ;

Bonnivard, V. ;

Borgia, B. ;

Borsini, S. ;

Boschini, M. J. ;

Bourquin, M. ;

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PHYSICAL REVIEW D, 2020, 101 (08)

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Amato, Elena ;

Blasi, Pasquale .

ADVANCES IN SPACE RESEARCH, 2018, 62 (10) :2731-2749

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[1] Detection of the Small Magellanic Cloud in gamma-rays with Fermi/LAT [J].

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[2] Fermi Large Area Telescope observations of Local Group galaxies: detection of M31 and search for M33 [J].

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Baughman, B. M. ;

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Bellazzini, R. ;

Berenji, B. ;

Blandford, R. D. ;

Bloom, E. D. ;

Bonamente, E. ;

Borgland, A. W. ;

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Brez, A. ;

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[4] High Statistics Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-500 GeV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station [J].

Accardo, L. ;

Aguilar, M. ;

Aisa, D. ;

Alpat, B. ;

Alvino, A. ;

Ambrosi, G. ;

Andeen, K. ;

Arruda, L. ;

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Bachlechner, A. ;

Barao, F. ;

Barrau, A. ;

Barrin, L. ;

Bartoloni, A. ;

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Cai, X. D. ;

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Franckowiak, A. ;

Funk, S. ;

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ASTROPHYSICAL JOURNAL SUPPLEMENT SERIES, 2016, 223 (02)

[6] Fermi establishes classical novae as a distinct class of gamma-ray sources [J].

Ackermann, M. ;

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Franckowiak, A. ;

Fuhrmann, L. ;

Fukazawa, Y. .

SCIENCE, 2014, 345 (6196) :554-558

[7] GeV OBSERVATIONS OF STAR-FORMING GALAXIES WITH THE FERMI LARGE AREA TELESCOPE [J].

Ackermann, M. ;

Ajello, M. ;

Allafort, A. ;

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Ballet, J. ;

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Giordano, F. .

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[8] Precision Measurement of the Proton Flux in Primary Cosmic Rays from Rigidity 1 GV to 1.8 TV with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station [J].

Aguilar, M. ;

Aisa, D. ;

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