Космические лучи в 4 раза усиливают отток газа из галактик — моделирование TIGRESS++

Международная группа астрофизиков представила результаты симуляций локальных звездообразующих дисков, в которых впервые самосогласованно учитывалась эволюция космических лучей (CR) и многофазного газа. Работа выполнена с помощью кода TIGRESS++, позволяющего моделировать сложные процессы в галактической среде с высоким разрешением.

Чтобы выделить роль космических лучей, исследователи провели парные расчёты для условий, типичных для окрестностей Солнца. Первая модель (MHD) следовала стандартному подходу TIGRESS-classic: включала нагрев ультрафиолетом Фарадея и обратную связь от сверхновых в звёздных скоплениях. Вторая (CRMHD) дополнительно инжектировала 10 % энергии каждого взрыва сверхновой в виде космических лучей. CR переносились анизотропно вдоль линий магнитного поля с помощью двухмоментного решателя, а скорость рассеяния задавалась балансом роста и затухания альфвеновских волн.

В CRMHD-модели сформировался характерный двухзонный вертикальный профиль космических лучей: в плотной области галактической плоскости давление CR оказалось однородным, а в разреженной внеплоскостной атмосфере — экспоненциально спадающим за счёт адвекции и течения. Давление космических лучей в плоскости диска оказалось сравнимым с полным тепловым давлением газа, но из-за своей однородности не влияло на динамику газа — темп звездообразования остался неизменным.

Однако на высотах более 1 килопарсека вертикальный градиент давления CR ускорял тёплый истекающий газ. В результате массовый фактор загрузки (отношение массы уносимого газа к темпу звездообразования) оказался примерно в четыре раза выше, чем в модели без CR. Это указывает на то, что космические лучи играют ключевую роль в формировании галактических ветров и оттоков вещества.

Дополнительные расчёты показали, что взаимодействие CR с газом вблизи средней плоскости увеличивает энергию космических лучей за счёт работы сжатия, а в разреженных горячих слоях поток CR нагревает слабоионизованный газ. Таким образом, космические лучи не только ускоряют отток, но и перераспределяют энергию в галактическом диске.

Авторы отмечают, что TIGRESS++ открывает путь к детальному изучению переноса космических лучей и их влияния на динамику межзвёздной среды и галактические оттоки в различных условиях — от спиральных галактик до карликовых илинфракрасных.