[论文解读] Gamma-rays from massive protostars

Gustavo E. Romero, Anabella Araudo+2 more|ArXiv.org|Aug 6, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，驱动高速双极喷流的超大质量原恒星可通过在喷流终端激波处加速相对论性粒子，并在致密分子云中发生后续相互作用，产生可探测的GeV–TeV伽马射线辐射。通过采用改进的激波特加速与辐射传输模型，预测费米望远镜和切伦科夫望远镜可探测此类源，尤其通过宇宙射线扩散产生的弥散辐射，其光度可达约~10³² erg s⁻¹。

ABSTRACT

Massive protostars have associated bipolar outflows with velocities of hundreds of km/s. Such outflows produce strong shocks when interact with the ambient medium leading to regions of non-thermal radio emission. Under certain conditions, the population of relativistic particles accelerated at the terminal shocks of the protostellar jets can produce significant gamma-ray emission. We estimate the conditions necessary for high-energy emission in the non-thermal hot spots of jets associated with massive protostars embedded in dense molecular clouds. Our results show that particle-matter interactions can lead to the detection of molecular clouds hosting massive young stellar objects by the Fermi satellite at MeV-GeV energies and even by Cherenkov telescope arrays in the GeV-TeV range. Astronomy at gamma-rays can be used to probe the physical conditions in star forming regions and particle acceleration processes in the complex environment of massive molecular clouds.

研究动机与目标

• 研究超大质量原恒星在何种条件下可产生费米望远镜与切伦科夫望远镜可探测的高能伽马射线辐射。
• 模拟致密分子云中原恒星喷流终端激波内的粒子加速与辐射过程。
• 评估质子-质子碰撞与逆康普顿散射对总伽马射线光度的贡献。
• 评估此类源在当前与未来伽马射线天文台（包括对宇宙射线扩散产生的弥散辐射的敏感度）下的可探测性。

提出的方法

• 利用相对论性粒子注入与磁场强度估计，对原恒星喷流激波中的前向与后向激波处的漫射激波特加速（DSA）进行建模。
• 计算由非弹性质子-质子碰撞与相对论性电子对红外光子的逆康普顿散射产生的伽马射线辐射。
• 纳入粒子逃逸 timescales 与相对论性质子向周围分子云扩散，以产生扩展的、弥散的伽马射线辐射。
• 使用谱谱能量分布（SED）建模，将预测的辐射与费米望远镜及切伦科夫望远镜的灵敏度进行比较。
• 应用观测源（IRAS 16547-4247 与 HH 80-81）的物理参数，如喷流光度、云密度、磁场与激波速度。
• 估算不同粒子能谱指数（a = 0 为轻子过程，a = 100 为强子过程）下的总伽马射线光度，并与观测阈值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，原恒星喷流激波中加速的相对论性粒子可产生费米望远镜可探测的伽马射线辐射？
• RQ2 射电瓣中宇宙射线向周围分子云扩散，如何贡献于扩展的伽马射线辐射？
• RQ3 超大质量原恒星的预期伽马射线光度是多少？其是否可达到当前与未来切伦科夫望远镜的可探测水平？
• RQ4 轻子过程（IC、同步辐射）与强子过程（pp 碰撞）的相对贡献如何塑造观测到的伽马射线能谱？
• RQ5 伽马射线 SED 中的谱截止特征能否约束激波特速度与扩散系数，从而揭示粒子加速机制？

主要发现

• 模型预测，超大质量原恒星在致密分子云中主要通过强子过程，可产生高达~10³² erg s⁻¹ 的伽马射线光度。
• 宇宙射线向云中扩散产生的弥散伽马射线辐射，可使0.1–100 GeV能段的积分光度增至~5×10³² erg s⁻¹，100 GeV以上能段增至~6×10³² erg s⁻¹。
• 对于 IRAS 16547-4247 与 HH 80-81 等源，预测的 >100 GeV 能段伽马射线通量可达 ~0.01 Crab，经约50小时观测可被切伦科夫望远镜探测到。
• 轻子情况（a = 0）的光度低于10³⁰ erg s⁻¹，当前仪器无法探测；而强子情况（a = 100）则产生强烈且可能可探测的辐射。
• 若能探测到伽马射线 SED 中的谱截止，可约束激波特速度与扩散系数，从而为粒子加速机制提供新见解。
• 通过磁湍流对宇宙射线的再加速，可能进一步增强源的光度，提升未来巡天中的可探测性。