大质量星团作为高能伽马射线源：对银河系PeV宇宙线起源的多信使研究

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Massive Star Clusters as sources of high-energy gamma radiation

本刊编辑推荐：为揭示银河系超高能伽马射线起源难题，研究人员通过构建混合观测-模拟星团样本，系统分析了大质量星团(MSC)中超新星遗迹(SNR)和恒星风激波对粒子加速的贡献。研究发现年轻致密星团可将质子加速至PeV能级，其产生的π0衰变伽马射线与实测谱高度吻合，为破解宇宙线“膝区”起源提供了关键证据。

　　

当我们仰望星空时，肉眼可见的繁星背后隐藏着宇宙中持续轰击地球的高能粒子雨——宇宙线。这些带电粒子跨越惊人能量尺度，其中10¹⁵电子伏特附近的“膝区”能谱拐折更是困扰学界数十年的谜题。传统理论认为超新星遗迹是宇宙线加速的主要场所，但最新观测表明，单颗超新星难以将粒子加速到PeV（10¹⁵电子伏特）能级。这促使天文学家将目光投向大质量星团——这些由数千颗年轻恒星组成的“恒星工厂”，其强烈的集体恒星风和频繁的超新星爆发可能共同构成天然的粒子加速器。

为验证这一假说，巴西隆德里纳州立大学的Luana N. Padilha领衔的研究团队在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》发表论文，通过多波段观测数据与数值模拟相结合的方式，系统分析了大质量星团对银河系高能辐射的贡献。研究团队创新性地构建了混合星团样本：在太阳系周围3千秒差距内采用Kharchenko等人2013年发布的实测星团表（包含3006个星团），在更远距离则通过蒙特卡洛模拟生成合成星团种群以弥补观测空白。这种处理方式既保证了近域数据的可靠性，又有效扩展了研究视野。

关键技术方法包括：基于潮汐半径的星团质量筛选（阈值10³M_⊙）、依据年龄（≤20 Myr）和核心半径（r₀?5 pc）的星团分类、基于Chabrier初始质量函数的超新星发生率计算、采用Kafexhiu等人2014年提出的参数化方案计算p-p碰撞伽马射线产额，以及通过刚性相关的扩散模型（D_gal=D₀(R_p/R₀)^s）模拟粒子在银河系中的传播过程。

2 CLUSTER POPULATION ANALYSIS BASED ON OBSERVATIONAL AND SYNTHETIC DATA

研究发现观测样本中20.19%（598个）属于大质量星团，其中16.36%（98个）年龄小于40 Myr具备超新星爆发条件。通过引入“强效星团”（年轻致密型）和“温和星团”（年老弥散型）的分类框架，揭示两类星团通过不同机制贡献粒子加速：强效星团主要依靠恒星风激波，而温和星团则依赖超新星爆发。

3 PARTICLE SPECTRUM

粒子能谱模型显示三种加速机制各具特征：温和星团最大加速能量E_soft^max～0.1Z PeV，强效星团可达E_pow^max～4Z PeV，恒星风激波加速上限为E_wind^max～1.0Z PeV。拟合结果与Auger实验数据吻合，特别在4×10⁶-5×10⁸GeV能区强效星团贡献占主导，成功再现宇宙线能谱的PeV膝区结构。

4 GAMMA RADIATION EMISSION

伽马射线模拟表明，强效星团在TeV-PeV能区产生显著辐射，其谱形对注入指数β高度敏感：当β从2.00变为1.95时，高能端通量可差数倍。空间分布分析显示3千秒差距内星团贡献占总辐射的2/3，证实近域星团是伽马射线观测的主要来源。与Menchiari等人2025年模型的对比验证了结果的可靠性。

这项研究通过多信使联合分析证实，大质量星团尤其是年轻致密型星团是银河系PeV宇宙线的关键加速场所。其创新性地构建的混合样本策略有效克服了观测选择效应，建立的三组分粒子加速模型成功再现从TeV到EeV能区的多尺度观测特征。该成果不仅为理解宇宙线起源提供了新范式，更为下一代切伦科夫望远镜（如CTA）的观测策略提供了理论指导。未来结合中子星合并事件等多信使观测，有望彻底解开宇宙线加速机制的世纪谜题。