年轻大质量星团Westerlund 1周围甚高能γ射线辐射的强子起源研究

《Journal of High Energy Astrophysics》：On the hadronic origin of the very high energy γ-ray emission surrounding the young massive stellar cluster Westerlund 1

本文针对银河系内最年轻的巨大星团Westerlund 1周围的扩展γ射线源HESS J1646–458的辐射机制起源问题，开展了终止激波加速宇宙线的强子过程模型研究。通过构建星团风与星际介质相互作用形成的超泡结构，计算了强子宇宙线与环境气体非弹性碰撞产生的γ射线通量和径向分布，发现该模型能较好地解释观测能谱和形态特征，支持其强子起源，对理解年轻大质量星团作为宇宙线"PeVatron"加速器具有重要意义。

　　

银河系中宇宙线的起源是当代天体物理学的核心问题之一。传统理论认为超新星遗迹是银河宇宙线的主要加速场所，但近期观测表明超新星遗迹难以将宇宙线加速至"膝区"能量（约3 PeV）。年轻大质量星团作为宇宙线加速器的替代场景近年来受到广泛关注。这类星团通过大质量恒星风与周围星际介质相互作用，可形成被称为"超泡"的巨大空洞结构，其终止激波被认为是高效的粒子加速器。Westerlund 1作为银河系内已知质量最大的年轻星团，其周围探测到的扩展甚高能γ射线源HESS J1646–458，为研究星团环境中的宇宙线加速过程提供了理想实验室。

为阐明HESS J1646–458的辐射机制起源，研究人员构建了终止激波加速宇宙线的物理模型。通过求解球对称宇宙线输运方程，结合Kolmogorov湍流能谱假设的扩散系数参数化，计算了强子过程产生的γ射线能谱和空间分布。模型关键假设包括：宇宙线在终止激波处被注入，在超泡内经历扩散和平流输运，并与超泡内气体发生质子-质子碰撞产生π?介子衰变γ射线。研究特别考察了不同星际介质密度条件下（ρ?=30-50 m_pcm^?3）的模型预测与观测数据的匹配程度。

关键技术方法包括：1）基于Weaver超泡理论的结构建模，计算终止激波半径和超泡壳层质量；2）采用Crank-Nicolson格式求解宇宙线输运方程；3）利用aafrag程序包计算质子-质子碰撞γ射线产生截面；4）通过χ2最小化拟合观测能谱约束模型参数。样本来源基于H.E.S.S.对HESS J1646–458的γ射线观测数据和星团风参数光学观测。

2. 超泡结构模型

通过解析计算确定超泡的终止激波半径R_TS≈23-26 pc，超泡外壳半径R_S≈87-96 pc。发现超泡内 shocked wind cavity 的气体密度ρ?≈0.06-0.08 m_pcm^?3（经典模型）或≈1 m_pcm^?3（含稠密团块情形），后者更符合观测约束。

3. 宇宙线加速与输运

数值求解显示宇宙线能谱在终止激波处呈现幂律截断特征，截止动量p_c≈177-281 TeV/c。径向分布表明高能宇宙线更集中于终止激波附近，扩散主导区尺度?(p)=D(p)/u_w随能量增加而扩大。

4. 强子γ射线辐射

模型成功重现HESS J1646–458的能谱（0.1-100 TeV）和壳状形态。最佳拟合要求宇宙线压强与动压比ξ_CR≈0.1-1.6，扩散系数D?≈3×10²⁵cm2/s。当考虑超泡内存在稠密气体团块（ρ?≈1 m_pcm^?3）时，强子模型可完美解释观测数据。

研究结论表明，Westerlund 1的终止激波能够将宇宙线加速至亚PeV能区，其产生的强子γ射线辐射可自然解释HESS J1646–458的观测特征。这一结果支持年轻大质量星团是银河系宇宙线的重要加速场所，对理解宇宙线"膝区"起源具有里程碑意义。未来通过LHAASO等高灵敏度观测设备对该天体的多信使研究，将最终确认其辐射机制并约束宇宙线加速极限。