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Superdiffusion of cosmic rays in compressible magnetized turbulence
Indexado
WoS WOS:000773021900006
Scopus SCOPUS_ID:85127838368
DOI 10.1093/MNRAS/STAC319
Año 2022
Tipo artículo de investigación

Citas Totales

Autores Afiliación Chile

Instituciones Chile

% Participación
Internacional

Autores
Afiliación Extranjera

Instituciones
Extranjeras


Abstract



Owing to the complexity of turbulent magnetic fields, modelling the diffusion of cosmic rays is challenging. Based on the current understanding of anisotropic magnetohydrodynamic (MHD) turbulence, we use test particles to examine the cosmic rays' superdiffusion in the direction perpendicular to the mean magnetic field. By changing Alfven Mach number M-A and sonic Mach number M-S of compressible MHD simulations, our study covers a wide range of astrophysical conditions including subsonic warm gas phase and supersonic cold molecular gas. We show that freely streaming cosmic rays' perpendicular displacement increases as 3/2 to the power of the time travelled along local magnetic field lines. This power-law index changes to 3/4 if the parallel propagation is diffusive. We find that the cosmic rays' parallel mean free path decreases in a power-law relation of M-A(-2) in supersonic turbulence. We investigate the energy fraction of slow, fast, and Alfvenic modes and confirm the dominance of Alfvenic modes in the perpendicular superdiffusion. In particular, the energy fraction of fast mode, which is the main agent for pitch-angle scattering, increases with M-A, but is insensitive to M-S >= 2. Accordingly, our results suggest that the suppressed diffusion in supersonic molecular clouds arises primarily due to the variations of M-A instead of M-S.

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Disciplinas de Investigación



WOS
Astronomy & Astrophysics
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Sin Disciplinas
SciELO
Sin Disciplinas

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Publicaciones WoS (Ediciones: ISSHP, ISTP, AHCI, SSCI, SCI), Scopus, SciELO Chile.

Colaboración Institucional



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Autores - Afiliación



Ord. Autor Género Institución - País
1 Hu, Yue - UNIV WISCONSIN - Estados Unidos
University of Wisconsin-Madison - Estados Unidos
UW-Madison College of Engineering - Estados Unidos
2 Lazarian, A. Hombre UNIV WISCONSIN - Estados Unidos
Universidad Bernardo O'Higgins - Chile
University of Wisconsin-Madison - Estados Unidos
3 Xu, Siyao - Inst Adv Study - Estados Unidos
Institute for Advanced Studies - Estados Unidos
Institute for Advanced Study - Estados Unidos

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Financiamiento



Fuente
National Science Foundation
NSF
NASA
National Aeronautics and Space Administration
NASA - Space Telescope Science Institute
NASA ATP
NASA TCAN

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Agradecimientos



Agradecimiento
YH acknowledges the support of the NASA TCAN 144AAG1967. AL acknowledges the support of the NSF grant AST 1715754 and NASA ATP AAH7546. SX acknowledges the support for this work provided by NASA through the NASA Hubble Fellowship grant #HST-HF2-51473.001-A awarded by the Space Telescope Science Institute, which is operated by the Association of Universities for Research in Astronomy, Incorporated, under NASA contract NAS5- 26555.
YH acknowledges the support of the NASA TCAN 144AAG1967 The support of the NSF grant AST 1715754

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