[논문 리뷰] A deep spectromorphological study of the $\gamma$-ray emission surrounding the young massive stellar cluster Westerlund 1

F. Aharonian, H. Ashkar외 157명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 164시간의 H.E.S.S. 데이터를 사용하여 웨스터룬드 1 주변의 확장된 테바론 급성 방사선 방출에 대한 깊이 있는 스펙트로모르포로지컬 분석을 수행하며, 수 테바론 수준까지 균일한 스펙트럼을 가지는 대규모의 쉘 형태 구조를 규명한다. 방출은 주로 입자 상호작용에 의한 핵반응에 의해 설명되며, 웨스터룬드 1 자체가 주로 기여하는 것으로 보이며, 이는 클러스터 풍의 종단 충격에서 입자가 가속화됨에 따라 발생할 가능성이 높다. 다만 정확한 메커니즘은 아직 규명되지 않았다.

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.

연구 동기 및 목표

• 확장된 테바론 급성 방사선 방출의 물리적 기원을 웨스터룬드 1 주변, 즉 젊고 질량이 큰 별 집합체 근처에서 규명한다.
• 방출이 핵반응 기반 또는 전자기 반응 기반 과정에서 비롯되는지, 특히 우주선이 주변 기체와 상호작용함으로써 발생하는지 확인한다.
• 질량이 큰 별 집합체가 은하계 갤럭틱 우주선을 가속화하는 데 기여하는 역할을 평가한다.
• 기존의 밀집 천체 및 기체 구조가 관측된 급성 방사선 형태에 기여하는 정도를 평가한다.
• 충격에 의한 가속화 메커니즘, 예를 들어 별 풍 또는 초신성에서 발생하는 충격 등을 고려하여 가능한 메커니즘을 제약한다.

제안 방법

• 164시간의 관측을 포함하는 H.E.S.S. 데이터에 대한 깊이 있는 스펙트로모르포로지컬 분석을 수행하였다.
• 에너지 별로 나누어 방출 형태를 다각도로 분석하여 에너지 의존성 있는 구조를 탐지하였다.
• H I 및 CO 선 관측 자료와 함께 급성 방사선 데이터를 융합하여 주변 기체 분포를 추적하였다.
• 방출 영역의 복합 에너지 스펙트럼을 구성하여 스펙트럼 형태와 절단점의 특성을 평가하였다.
• 급성 방사선 방출과 기체 구름 간의 공간적 상관관계를 분석하여 핵반응 상호작용 모델을 검증하였다.
• 다른 시나리오를 평가: 전자기 반응 기반(역광자 흡수) 대비 핵반응 기반(파이온 붕괴) 기원, 다양한 충격 가속화 위치

실험 결과

연구 질문

• RQ1 웨스터룬드 1 주변에 둘러싸인 대규모 쉘 형태의 테바론 급성 방사선 방출의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ2 H I 및 CO 관측으로 추적된 간성 기체와 급성 방사선 방출이 상관관계를 가지는가? 이는 핵반응 기반 시나리오에서 예상되는 바이다.
• RQ3 펄서와 같은 알려진 밀집 천체들이 관측된 급성 방사선 방출의 대부분을 설명할 수 있는가?
• RQ4 풍-풍, 초신성-풍, 또는 클러스터 풍 종단 충격 등 다양한 입자 가속화 메커니즘 중에서 관측된 형태와 스펙트럼과 가장 부합하는 것은 무엇인가?
• RQ5 웨스터룬드 1가 은하계 갤럭틱 우주선의 대표적 가속기로 간주될 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 급성 방사선 방출은 약 2°의 지름을 가지는 대규모 천체적 스케일로 확장되어 있으며, 뚜렷한 쉘 형태의 구조를 띤다.
• 스펙트럼은 방출 영역 전반에 걸쳐 균일하며, 몇 테바론 수준까지 연장되며, 에너지 의존성 있는 스펙트럼 연화 현상은 눈에 띄지 않는다.
• 급성 방사선 방출과 H I 또는 CO 기체 구름 간에 유의미한 공간적 상관관계는 발견되지 않아, 단순한 핵반응 상호작용 모델에 도전한다.
• 현장 내 모든 알려진 천체 중에서 웨스터룬드 1만이 급성 방사선 방출의 대부분을 설명할 수 있다.
• 에너지 의존성 있는 형태가 없는 것은 연속적인 주입을 동반한 전자기 반응 기반의 역광자 흡수 시나리오를 배제한다.
• 클러스터 풍 종단 충격이 가장 가능성 있는 가속 지점으로 규명되었으며, 이는 쉘 형태의 구조와 지속적인 방출을 설명할 수 있다.