大质量星团驱动的宇宙线加载新生外流：韦斯特隆德1号星团揭示星系演化新机制

《Nature Communications》：A cosmic-ray loaded nascent outflow driven by a massive star cluster

本刊推荐：为揭示宇宙线(CR)如何驱动星系外流这一关键问题，研究人员针对银河系最大年轻大质量星团韦斯特隆德1(Westerlund 1)开展多波段伽马射线研究。通过分析Fermi-LAT 15年观测数据，首次发现与中性氢空腔重合的GeV辐射结构(J1654-467)，证实其与H.E.S.S.探测的TeV辐射环谱线平滑衔接，揭示宇宙线电子沿密度梯度向外流传输的物理过程。该成果为理解宇宙线反馈机制及星团对星系 halo物质输运的贡献提供了直接观测证据。

　　

在星系演化研究中，宇宙线(CR)驱动星系风的理论已被广泛讨论数十年，但始终缺乏直接观测证据。与此同时，天文学家日益认识到大质量星团在宇宙线加速中的核心作用。年轻大质量星团(YMSCs)通过恒星风和超新星爆发聚集巨大能量，其形成的超级气泡可突破银河系盘面，成为宇宙线进入halo的潜在通道。然而，宇宙线如何被加载到外流中、其能量如何影响星际介质(ISM)动力学，仍是未解之谜。

韦斯特隆德1作为银河系中已知最庞大的年轻大质量星团，成为破解这一难题的理想实验室。该星团距离地球约4千秒差距(kpc)，拥有大量大质量恒星，年龄约400万年，其恒星风功率高达10³⁹erg/s。此前H.E.S.S.望远镜已在TeV能段发现环绕星团的伽马射线环状结构，推测源于星团风终止激波加速电子的逆康普顿(IC)辐射。但GeV能段的辐射特征及其与超大尺度结构的关联尚未揭示。

本研究通过分析Fermi-LAT累积15年的观测数据，在3 GeV-3 TeV能段对韦斯特隆德1周边区域开展深度形态与光谱分析。为减少银河系弥漫辐射模型不确定性，研究团队采用多组分模板精细拟合原子氢(HⅠ)、分子氢(CO)及逆康普顿辐射背景，并利用Akaike信息准则(AIC)比较不同空间模型。

关键技术创新包括：

1. 1.
   采用H.E.S.S. TeV辐射图作为空间模板拟合GeV数据，验证两能段辐射同源性；
2. 2.
   发现延伸至银道面下方的伽马射线结构J1654-467，其高斯模型中心位置l=339.61°±0.03°, b=-1.91°±0.04°，半径0.71°±0.03°；
3. 3.
   结合Parkes GASS III巡天数据，分析中性氢气体分布与速度场；
4. 4.
   使用GAMERA软件模拟粒子加速与辐射过程，计算电子能谱演化及逆康普顿散射对宇宙微波背景(CMB)、银河弥漫辐射场和星团星光的贡献。

Fermi-LAT数据分析结果

研究首次识别出两个新组分：一是与H.E.S.S. TeV环对应的GeV辐射，证实二者空间形态与能谱兼容；二是向银道面下方延伸的弥散组分J1654-467，投影长度约150 pc，能量通量(10.5±0.5_stat±0.4_syst)×10^-11erg cm^-2s^-1。通过分割近/远区域谱分析（图1白色虚线划分），发现远区光谱存在截止特征，暗示电子冷却效应。

星际介质密度特征

HⅠ发射线数据显示，在韦斯特隆德1银河自转速度(v_LSR≈-50 km/s)附近存在显著气体欠密度区（图3）。柱密度差异达(0.7-1.5)×10²⁰cm^-2，对应约0.3-0.7原子/cm³的气体缺失。该空腔膨胀所需能量量级为10⁵⁰(T/10⁴K)(n/1 cm^-3)(d/100 pc)³erg，与星团能量输出匹配。

能谱建模与物理解释

全区域能谱（图4）显示GeV与TeV辐射平滑衔接，支持轻子起源模型。采用电子注入指数2.25、星团年龄4 Myr、磁场2μG的逆康普顿模型表明，星团风动能转化为电子的效率为0.7%（>0.01 GeV）。远区光谱需假设电子在加速区停止注入约125-200 kyr（对应≤TeV电子冷却时标），该时标远短于球对称超级气泡平流预期，暗示扩散传输主导。

10(D/cm2/s)）与平流（橙色虚线）传输时标对比，上横轴标示对应冷却能量的电子能量。'>

结论与意义

本研究通过多波段伽马射线观测，首次捕捉到韦斯特隆德1星团驱动的新生宇宙线加载外流。J1654-467结构对应星团超级气泡突破银盘边缘的早期阶段，其携带的宇宙线能量密度比普通星际介质高一个量级，证明宇宙线可动态影响外流演化。该发现确立了大质量星团作为宇宙线传输通道的关键角色，为理解星系尺度物质循环提供了新范式。未来对类似系统的多波段观测将深化对宇宙线反馈机制的认识。