Spectrally resolved cosmic ray hydrodynamics -- I. Spectral scheme
Auteurs : Philipp Girichidis, Christoph Pfrommer, Michal Hanasz, Thorsten Naab
Points clés générés par l'IA
- Les protons de rayons cosmiques sont importants dans les systèmes astrophysiques
- Les processus tels que l'injection, le refroidissement et le transport actif des CR doivent être pris en compte dans les simulations hydrodynamiques
- Une nouvelle méthode numérique efficace a été décrite pour calculer avec précision l'évolution de la fonction de distribution des particules en résolvant l'équation Fokker-Planck avec un faible nombre de bins spectraux (10-20)
- La fonction de distribution est représentée par des lois d'alimentation morceau par morceau et n'est pas forcée d'être continue, ce qui permet une représentation optimale du spectre
- L'équation Fokker-Planck est résolue avec une approche à deux moments évoluant le nombre et la densité d'énergie CR
- Cette méthode permet non seulement l'évolution spectrale des CR mais également leur impact dynamique et leur ionisation CR.
Résumé : Cosmic ray (CR) protons are an important component in many astrophysical systems. Processes like CR injection, cooling, adiabatic changes as well as active CR transport through the medium strongly modify the CR momentum distribution and have to be taken into account in hydrodynamical simulations. We present an efficient novel numerical scheme to accurately compute the evolution of the particle distribution function by solving the Fokker-Planck equation with a low number of spectral bins (10 - 20), which is required to include a full spectrum for every computational fluid element. The distribution function is represented by piecewise power laws and is not forced to be continuous, which enables an optimal representation of the spectrum. The Fokker-Planck equation is solved with a two-moment approach evolving the CR number and energy density. The low numerical diffusion of the scheme reduces the numerical errors by orders of magnitude in comparison to classical schemes with piecewise constant spectral representations. With this method not only the spectral evolution of CRs can be computed accurately in magnetohydrodynamic simulations but also their dynamical impact as well as CR ionisation. This allows for more accurate models for astrophysical plasmas, like the interstellar medium, and direct comparisons with observations.
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