Der Einfluss kosmischer Strahlung auf die Mehrphasenstruktur des turbulenten interstellaren Mediums

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Thorsten Naab; Professorin Dr. Stefanie Walch-Gassner
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263067211

Kosmische Strahlung (cosmic rays. CR) sind ein integraler (nicht-thermischer) Bestandteil des interstellaren Mediums (ISM). CRs werden in starken, von Supernovae (SNe) generierten, Schocks erzeugt und propagieren im ISM entlang von Magnetfeldlinien. Aufgrund ihrer niedrigen Energieverlustraten können sie über große Distanzen transportiert werden und sind eine signifikante Quelle für Energie und Impuls für das thermische ISM Gas (Kopplung vorausgesetzt), auch bei niedrigen Dichten. Analytische und ein-dimensionale Rechnungen weisen auf einen signifikanten Einfluss von CRs auf die ISM Eigenschaften hin, mit dem Potenzial galaktische Winde auf großen Skalen zu treiben. Dies wurde durch vereinfachte Simulationen auf galaktischen Skalen indiziert. Allerdings gibt es bisher keine magneto-hydrodynamischen (MHD) Simulationen zu dem dynamischen Einfluss von CRs auf das turbulente ISM. Wir schlagen vor, solche Simulationen mit einer gemeinsam entwickelten neuen Version des Gittercodes FLASH durchzuführen. Diese Version wurde erweitert, um den energieabhängigen anisotropen Transport von CRs (10 Energie bins) entlang von Magnetfeldlinien , inklusive adiabatischer Verluste, zu simulieren. Wir planen, den Code mit einem Modul zu erweitern, das die selbstkonsistente Einspeisung von CRs in starken Schocks übernimmt. Die Raten werden mittels eines semi-analytischen Programms zur Berechnung der nicht-linearen diffusen Schock Beschleunigung ermittelt. Mit diesen Werkzeugen und den zwei beantragten Doktorandenstellen möchten wir, zum ersten mal, folgende Fragen mit dreidimensionalen MHD Simulationen beantworten: Was ist der globale dynamische Einfluss von in SNe erzeugten CRs auf die turbulente mehr-phasen Struktur des ISM? Wie diffundieren CRs unterschiedlicher Energien durch das turbulente magnetisierte ISM? Wie können CRs galaktische Wind in einem realistischen ISM treiben? Wie ändert die CR Beschleunigung die Schock Struktur? Wie diffundieren CRs aus den Schocks in das ISM? Wie verändern Ionisation und stellare Winde die Schock Struktur und die CR Beschleunigung? Wie verändert sich die CR Beschleunigung für zeitlich und räumlich gekoppelte SNe? Mit den Ergebnissen dieser Studie können wir womöglich nachweisen, das CR eine deutlich wichtigere Rolle spielen als bisher angenommen. Falls wir zeigen können, dass CR in der Tat eine wichtige Rolle für galaktische Winde spielen, werden sie zu einem global player und spielen eine herausragende Rolle für das ISM und das Wachstum von Galaxien aller Massen in allen kosmologischen Epochen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1573: Physics of the Interstellar Medium