Badanie dynamicznej roli oraz propagacji promieniowania kosmicznego w magnetohydrodynamicznym środowisku dysków galaktycznych
Identyfikator grantu: PT01128
Kierownik projektu: Michał Hanasz
Realizatorzy:
- Dominik Wóltański
- Nicolas Peschken
- Mateusz Ogrodnik
- Antoine Maxime Baldacchino-Jordan
Uniwersytet Mikołaja Kopernika
Centrum Astronomii
Toruń
Data otwarcia: 2024-02-29
Streszczenie projektu
Merytoryczny opis projektu
Celem projektu jest konstrukcja zgodnego z danymi eksperymentalnymi i obserwacyjnymi modelu propagacji promieniowania kosmicznego w namagnetyzowanym turbulentnym ośrodku międzygwiazdowego oraz określenie dynamicznej roli promieniowania kosmicznego w ewolucji galaktyk.
Galaktyczne promieniowanie kosmiczne (PK) złożone z wysokoenergetycznych (relatywistycznych) cząstek naładowanych: protonów, elektronów, oraz jąder atomowych cięższych pierwiastków takich jak C, N, O, Li, Be, B, przyspieszane w falach uderzeniowych po wybuchach masywnych gwiazd - tzw. supernowych. PK jest obserwowane przez detektory naziemne obserwujące kaskady fotonów Cherenkowa w atmosferze ziemskiej (eksperymenty HESS, MAGIC) oraz orbitalne (eksperyment AMS2 na pokładzie międzynarodowej misji Space Station). Kluczową własnością PK jest jego potęgowe widmo energetyczne stanowiące o jego nietermicznym pochodzeniu [4]. Do niedawna dynamiczna rola promieniowania kosmicznego była pomijana w modelowaniu ewolucji galaktyk. Popularne modele propagacji promieniowania kosmicznego w Drodze Mlecznej i innych galaktykach zakładały statyczny ośrodek międzygwiazdowy stanowiący jedynie tło dla propagacji promieniowania kosmicznego [13]. Dwie dekady temu zaczęły się pojawiać pierwsze prace oparte na technice symulacji magnetohydrodynamicznych, pokazujące istotną rolę PK, powodującego destabilizację ośrodka międzygwiazdowego poprzez niestabilność Parkera [5], generację wielkoskalowych pól magnetycznych w procesie dynamo magnetohydrodynamicznego pola magnetycznego [6, 7] oraz efektywną generację wiatrów galaktycznych [8, 1, 2, 11, 12].
Szczegółowe cele projektu obejmują: 1. Badanie dynamiki wiatrów galaktycznych generowanych przez promieniowanie kosmiczne oraz wpływu PK na ewolucję galaktyk oraz diagnostyka wiatrów z pomocą emisji synchrotronowej elektronów promieniowania kosmicznego. 2. Identyfikacja mechanizmów wzmocnienia pola magnetycznego w galaktykach przy pomocy modelowania ewolucji ośrodka międzygwiazdowego z udziałem supernowych i promieniowania kosmicznego. Porównanie modeli z wynikami obserwacji rzeczywistych galaktyk będzie możliwe z pomocą opracowanych przez nasz zespół technik obrazowania synchrotronowego modelowanych galaktyk. 3. Badanie produkcji i propagacji wtórnego promieniowania kosmicznego. Celem jest weryfikacja propagacji promieniowania kosmicznego w środowisku międzygwiazdowym o własnościach zbliżonych do lokalnego otoczenia Słońca w Drodze Mlecznej poprzez analizę stosunku obfitości wtórnego do pierwotnego promieniowania kosmicznego (np. B/C) dla różnych zakresów energetycznych cząstek PK. Celem modelowania jest odpowiedź na pytanie w jakim stopniu lokalne otoczenie Słońca jest reprezentatywne dla całej drogi Mlecznej oraz czy parametry propagacji PK wyznaczone z obserwowanych stosunków B/C) są reprezentatywne dla całej galaktyki.
Literatura
[1] P. Girichidis, T. Naab, S. Walch, M. Hanasz, M.-M. Mac Low, J. P. Ostriker, A. Gatto, T. Peters, R. Wünsch, S. C. O. Glover, R. S. Klessen, P. C. Clark, and C. Baczynski. Launching Cosmic-Ray-driven Outflows from the Magnetized Interstellar Medium. ApJ, 816:L19, Jan. 2016. doi: 10.3847/2041-8205/816/2/L19.
[2] P. Girichidis, T. Naab, M. Hanasz, and S. Walch. Cooler and smoother - the impact of cosmic rays on the phase structure of galactic outflows. MNRAS, 479:3042–3067, Sept. 2018. doi: 10. 1093/mnras/sty1653.
[3] P. Girichidis, C. Pfrommer, M. Hanasz, and T. Naab. Spectrally resolved cosmic ray hydrodyna- mics - I. Spectral scheme. MNRAS, 491(1):993–1007, Jan. 2020. doi: 10.1093/mnras/stz2961.
[4] I. A. Grenier, J. H. Black, and A. W. Strong. The Nine Lives of Cosmic Rays in Galaxies. ARA&A, 53:199–246, Aug. 2015. doi: 10.1146/annurev-astro-082214-122457.
[5] M. Hanasz and H. Lesch. Incorporation of cosmic ray transport into the ZEUS MHD code. Application for studies of Parker instability in the ISM. A&A, 412:331–339, Dec. 2003. doi: 10.1051/0004-6361:20031433.
[6] M. Hanasz, G. Kowal, K. Otmianowska-Mazur, and H. Lesch. Amplification of Galactic Magnetic Fields by the Cosmic-Ray-driven Dynamo. ApJ, 605:L33–L36, Apr. 2004. doi: 10.1086/420697.
[7] M. Hanasz, D. Wólta ´nski, and K. Kowalik. Global Galactic Dynamo Driven by Cosmic Rays and Exploding Magnetized Stars. ApJ, 706:L155–L159, Nov. 2009. doi: 10.1088/0004-637X/706/1/L155.
[8] M. Hanasz, H. Lesch, T. Naab, A. Gawryszczak, K. Kowalik, and D. Wóltański. Cosmic Rays Can Drive Strong Outflows from Gas-rich High-redshift Disk Galaxies. ApJ, 777:L38, Nov. 2013. doi: 10.1088/2041-8205/777/2/L38.
[9] M. Hanasz, A. W. Strong, and P. Girichidis. Simulations of cosmic ray propagation. Living Reviews in Computational Astrophysics, 7(1):2, Dec. 2021. doi: 10.1007/s41115-021-00011-1.
[10] M. A. Ogrodnik, M. Hanasz, and D. Wólta ´nski. Implementation of Cosmic Ray Energy Spectrum (CRESP) Algorithm in PIERNIK MHD Code. I. Spectrally Resolved Propagation of Cosmic Ray Electrons on Eulerian Grids. ApJS, 253(1):18, Mar. 2021. doi: 10.3847/1538-4365/abd16f.
[11] N. Peschken, M. Hanasz, T. Naab, D. Wólta ´nski, and A. Gawryszczak. The angular momentum structure of CR-driven galactic outflows triggered by stream accretion. MNRAS, 508(3):4269–4281, Dec. 2021. doi: 10.1093/mnras/stab2784.
[12] N. Peschken, M. Hanasz, T. Naab, D. Wólta ´nski, and A. Gawryszczak. The phase structure of cosmic ray driven outflows in stream fed disc galaxies. MNRAS, 522(4):5529–5545, July 2023. doi: 10.1093/mnras/stad1358.
[13] A. W. Strong, I. V. Moskalenko, and V. S. Ptuskin. Cosmic-Ray Propagation and Interactions in the Galaxy. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 57(1):285–327, Nov. 2007. doi: 10.1146/annurev.nucl.57.090506.123011.3
Celem projektu jest konstrukcja zgodnego z danymi eksperymentalnymi i obserwacyjnymi modelu propagacji promieniowania kosmicznego w namagnetyzowanym turbulentnym ośrodku międzygwiazdowego oraz określenie dynamicznej roli promieniowania kosmicznego w ewolucji galaktyk.
Galaktyczne promieniowanie kosmiczne (PK) złożone z wysokoenergetycznych (relatywistycznych) cząstek naładowanych: protonów, elektronów, oraz jąder atomowych cięższych pierwiastków takich jak C, N, O, Li, Be, B, przyspieszane w falach uderzeniowych po wybuchach masywnych gwiazd - tzw. supernowych. PK jest obserwowane przez detektory naziemne obserwujące kaskady fotonów Cherenkowa w atmosferze ziemskiej (eksperymenty HESS, MAGIC) oraz orbitalne (eksperyment AMS2 na pokładzie międzynarodowej misji Space Station). Kluczową własnością PK jest jego potęgowe widmo energetyczne stanowiące o jego nietermicznym pochodzeniu [4]. Do niedawna dynamiczna rola promieniowania kosmicznego była pomijana w modelowaniu ewolucji galaktyk. Popularne modele propagacji promieniowania kosmicznego w Drodze Mlecznej i innych galaktykach zakładały statyczny ośrodek międzygwiazdowy stanowiący jedynie tło dla propagacji promieniowania kosmicznego [13]. Dwie dekady temu zaczęły się pojawiać pierwsze prace oparte na technice symulacji magnetohydrodynamicznych, pokazujące istotną rolę PK, powodującego destabilizację ośrodka międzygwiazdowego poprzez niestabilność Parkera [5], generację wielkoskalowych pól magnetycznych w procesie dynamo magnetohydrodynamicznego pola magnetycznego [6, 7] oraz efektywną generację wiatrów galaktycznych [8, 1, 2, 11, 12].
Szczegółowe cele projektu obejmują: 1. Badanie dynamiki wiatrów galaktycznych generowanych przez promieniowanie kosmiczne oraz wpływu PK na ewolucję galaktyk oraz diagnostyka wiatrów z pomocą emisji synchrotronowej elektronów promieniowania kosmicznego. 2. Identyfikacja mechanizmów wzmocnienia pola magnetycznego w galaktykach przy pomocy modelowania ewolucji ośrodka międzygwiazdowego z udziałem supernowych i promieniowania kosmicznego. Porównanie modeli z wynikami obserwacji rzeczywistych galaktyk będzie możliwe z pomocą opracowanych przez nasz zespół technik obrazowania synchrotronowego modelowanych galaktyk. 3. Badanie produkcji i propagacji wtórnego promieniowania kosmicznego. Celem jest weryfikacja propagacji promieniowania kosmicznego w środowisku międzygwiazdowym o własnościach zbliżonych do lokalnego otoczenia Słońca w Drodze Mlecznej poprzez analizę stosunku obfitości wtórnego do pierwotnego promieniowania kosmicznego (np. B/C) dla różnych zakresów energetycznych cząstek PK. Celem modelowania jest odpowiedź na pytanie w jakim stopniu lokalne otoczenie Słońca jest reprezentatywne dla całej drogi Mlecznej oraz czy parametry propagacji PK wyznaczone z obserwowanych stosunków B/C) są reprezentatywne dla całej galaktyki.
Literatura
[1] P. Girichidis, T. Naab, S. Walch, M. Hanasz, M.-M. Mac Low, J. P. Ostriker, A. Gatto, T. Peters, R. Wünsch, S. C. O. Glover, R. S. Klessen, P. C. Clark, and C. Baczynski. Launching Cosmic-Ray-driven Outflows from the Magnetized Interstellar Medium. ApJ, 816:L19, Jan. 2016. doi: 10.3847/2041-8205/816/2/L19.
[2] P. Girichidis, T. Naab, M. Hanasz, and S. Walch. Cooler and smoother - the impact of cosmic rays on the phase structure of galactic outflows. MNRAS, 479:3042–3067, Sept. 2018. doi: 10. 1093/mnras/sty1653.
[3] P. Girichidis, C. Pfrommer, M. Hanasz, and T. Naab. Spectrally resolved cosmic ray hydrodyna- mics - I. Spectral scheme. MNRAS, 491(1):993–1007, Jan. 2020. doi: 10.1093/mnras/stz2961.
[4] I. A. Grenier, J. H. Black, and A. W. Strong. The Nine Lives of Cosmic Rays in Galaxies. ARA&A, 53:199–246, Aug. 2015. doi: 10.1146/annurev-astro-082214-122457.
[5] M. Hanasz and H. Lesch. Incorporation of cosmic ray transport into the ZEUS MHD code. Application for studies of Parker instability in the ISM. A&A, 412:331–339, Dec. 2003. doi: 10.1051/0004-6361:20031433.
[6] M. Hanasz, G. Kowal, K. Otmianowska-Mazur, and H. Lesch. Amplification of Galactic Magnetic Fields by the Cosmic-Ray-driven Dynamo. ApJ, 605:L33–L36, Apr. 2004. doi: 10.1086/420697.
[7] M. Hanasz, D. Wólta ´nski, and K. Kowalik. Global Galactic Dynamo Driven by Cosmic Rays and Exploding Magnetized Stars. ApJ, 706:L155–L159, Nov. 2009. doi: 10.1088/0004-637X/706/1/L155.
[8] M. Hanasz, H. Lesch, T. Naab, A. Gawryszczak, K. Kowalik, and D. Wóltański. Cosmic Rays Can Drive Strong Outflows from Gas-rich High-redshift Disk Galaxies. ApJ, 777:L38, Nov. 2013. doi: 10.1088/2041-8205/777/2/L38.
[9] M. Hanasz, A. W. Strong, and P. Girichidis. Simulations of cosmic ray propagation. Living Reviews in Computational Astrophysics, 7(1):2, Dec. 2021. doi: 10.1007/s41115-021-00011-1.
[10] M. A. Ogrodnik, M. Hanasz, and D. Wólta ´nski. Implementation of Cosmic Ray Energy Spectrum (CRESP) Algorithm in PIERNIK MHD Code. I. Spectrally Resolved Propagation of Cosmic Ray Electrons on Eulerian Grids. ApJS, 253(1):18, Mar. 2021. doi: 10.3847/1538-4365/abd16f.
[11] N. Peschken, M. Hanasz, T. Naab, D. Wólta ´nski, and A. Gawryszczak. The angular momentum structure of CR-driven galactic outflows triggered by stream accretion. MNRAS, 508(3):4269–4281, Dec. 2021. doi: 10.1093/mnras/stab2784.
[12] N. Peschken, M. Hanasz, T. Naab, D. Wólta ´nski, and A. Gawryszczak. The phase structure of cosmic ray driven outflows in stream fed disc galaxies. MNRAS, 522(4):5529–5545, July 2023. doi: 10.1093/mnras/stad1358.
[13] A. W. Strong, I. V. Moskalenko, and V. S. Ptuskin. Cosmic-Ray Propagation and Interactions in the Galaxy. Annual Review of Nuclear and Particle Science, 57(1):285–327, Nov. 2007. doi: 10.1146/annurev.nucl.57.090506.123011.3