[論文レビュー] A deep spectromorphological study of the $\gamma$-ray emission surrounding the young massive stellar cluster Westerlund 1

F. Aharonian, H. Ashkar+157 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、164時間のH.E.S.S.データを用いて、ウエスターランド1周辺の拡張したTeV γ線放射について深くスペクトロモルフォロジカルな分析を行い、数十TeVに達する均一なスペクトルを持つ大規模なシェル状構造を明らかにした。放射は主に核子的宇宙線の相互作用によって説明され、ウエスターランド1そのものが、おそらくクラスタービームの終端衝撃での粒子加速によって支配的であると特定されたが、正確なメカニズムは未解明のままである。

ABSTRACT

Context. Young massive stellar clusters are extreme environments and potentially provide the means for efficient particle acceleration. Indeed, they are increasingly considered as being responsible for a significant fraction of cosmic rays (CRs) that are accelerated within the Milky Way. Westerlund 1, the most massive known young stellar cluster in our Galaxy, is a prime candidate for studying this hypothesis. While the very-high-energy $\gamma$-ray source HESS J1646−458 has been detected in the vicinity of Westerlund 1 in the past, its association could not be firmly identified.Aims. We aim to identify the physical processes responsible for the γ-ray emission around Westerlund 1 and thus to understand the role of massive stellar clusters in the acceleration of Galactic CRs better.Methods. Using 164 h of data recorded with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), we carried out a deep spectromorphological study of the $\gamma$-ray emission of HESS J1646−458. We furthermore employed H I and CO observations of the region to infer the presence of gas that could serve as target material for interactions of accelerated CRs.Results. We detected large-scale (∼2° diameter) $\gamma$-ray emission with a complex morphology, exhibiting a shell-like structure and showing no significant variation with $\gamma$-ray energy. The combined energy spectrum of the emission extends to several tens of TeV, and it is uniform across the entire source region. We did not find a clear correlation of the $\gamma$-ray emission with gas clouds as identified through H I and CO observations.Conclusions. We conclude that, of the known objects within the region, only Westerlund 1 can explain the majority of the $\gamma$-ray emission. Several CR acceleration sites and mechanisms are conceivable and discussed in detail. While it seems clear that Westerlund 1 acts as a powerful particle accelerator, no firm conclusions on the contribution of massive stellar clusters to the flux of Galactic CRs in general can be drawn at this point.

研究の動機と目的

• ウエスターランド1、すなわち若い大質量星団に近接する拡張したTeV γ線放射の物理的起源を特定すること。
• 放射が核子的かレプトン的プロセスに起因するかを特定すること、特に周囲のガスとの宇宙線相互作用を想定すること。
• 大質量星団が銀河的宇宙線を加速する役割を評価すること。
• 既知のコンact源やガス構造が観測されたγ線形状に与える寄与を評価すること。
• 衝撃波による加速メカニズム（星風や超新星からのもの）を含め、可能な加速機構を制約すること。

提案手法

• 164時間の観測をカバーするH.E.S.S.データの深さのあるスペクトロモルフォロジカル分析を実施した。
• エネルギー区分ごとのγ線放射の形態をマッピングし、エネルギー依存性のある構造を検出した。
• H IおよびCO線観測と組み合わせて、周囲のガス分布をトレースした。
• 放射領域の統合エネルギースペクトルを構築し、スペクトル形状とカットオフを評価した。
• γ線放射とガス雲との空間的相関を評価し、核子的相互作用モデルの妥当性を検証した。
• 代替的なシナリオを評価した：レプトン的（逆コンプトン）vs. 核子的（パイオン崩壊）の起源、およびさまざまな衝撃加速源。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウエスターランド1の周囲に広がる大規模なシェル状TeV γ線放射の物理的起源は何か？
• RQ2 H IおよびCO観測でトレースされた銀河間ガスとγ線放射が相関しているか？これは核子的シナリオで予想される。
• RQ3 パulsarsなどの既知のコンパクト源が観測されたγ線放射の大部分を説明できるか？
• RQ4 風同士の衝撃、超新星風、またはクラスタービームの終端衝撃といった、どの粒子加速メカニズムが観測された形態とスペクトルと最も整合するか？
• RQ5 ウエスターランド1は、銀河的宇宙線の代表的加速源と見なせる程度の寄与を果たしているか？

主な発見

• γ線放射は約2°の大きな角度スケールにわたり拡張しており、明確なシェル状の形態を示している。
• スペクトルは放射領域全体で一様であり、数10TeVに達するまで延びており、エネルギー依存性の顕著なスペクトルの軟化は観測されなかった。
• H IやCOのガス雲とγ線放射との間に顕著な空間的相関は認められず、これは単純な核子的相互作用モデルに疑問を呈する。
• 領域内に既知のすべての対象物の中で、ウエスターランド1だけがγ線放射の大部分を説明できる。
• エネルギー依存性のない形態は、連続的注入を伴うレプトン的逆コンプトンシナリオを不適切にする。
• クラスタービームの終端衝撃が、シェル状構造と持続的な放射を説明する最も妥当な加速源であると特定された。