Cosmic ray acceleration and scattering in a 3D MHD model of compact massive star clusters

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Compact young massive star clusters (YMSCs) contain dozens ofO-, B-, andWR-type stars with powerful, fast winds within a radius of ∼1 pc. In the turbulent environment of such clusters, particle acceleration by ensembles of shock waves and compression/rarefaction waves is possible. This work investigates the propagation and acceleration of particles in YMSCs using three-dimensional magnetohydrodynamic (MHD) simulations with the open source code PLUTO and its built-in module for solving the equations of motion for test charged particles. It is found that in the cluster core, near the termination shocks ofO-star winds, as well as at the collective wind termination shock, protons are accelerated to energies ≳100 TeV. The spatial and energy distributions of the particles are discussed.

About the authors

M. E. Kalyashova

Ioffe Institute

Email: m.kalyashova@gmail.com
Saint Petersburg

A. M. Bykov

Ioffe Institute

Email: byk@astro.ioffe.ru
Saint Petersburg

D. V. Badmaev

Ioffe Institute

Email: danirbadmaev.astro@gmail.com
Saint Petersburg

References

  1. A. Abramowski et al. (HESS Collab.), Astron. Astrophys. 537, A114 (2012).
  2. R.-Z. Yang, E. de Oña Wilhelmi, and F. Aharonian, Ast­ron. Astrophys. 611, A77 (2018).
  3. X.-N. Sun, R.-Z. Yang, and X.-Y. Wang, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 494, 3405 (2020).
  4. L. Saha, A. Domínguez, L. Tibaldo, S. Marchesi, M. Ajello, M. Lemoine-Goumard, and M. López, Astrophys. J. 897, 131 (2020).
  5. A. M. Bykov, Y. A. Uvarov, M. E. Kalyashova, D. V. Badmaev, I. Y. Lapshov, A. A. Lutovinov, I. A. Mereminskiy, and A. N. Semena, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 525, 1553 (2023).
  6. A. M. Bykov, Space Sci. Rev. 99, 317 (2001).
  7. A. M. Bykov, and I. N. Toptygin, Astron. Lett. 27, 625 (2001).
  8. E. Parizot, A. Marcowith, E. van der Swaluw, A. M. Bykov, and V. Tatischeff, Astron. Astrophys. 424, 747 (2004).
  9. G. Ferrand and A. Marcowith, Astron. Astrophys. 510, A101 (2010).
  10. A. M. Bykov, and I. N. Toptygin, Phys. Usp. 36, 1020 (1993).
  11. T. Vieu, S. Gabici, V. Tatischeff, and S. Ravikularaman, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 512, 1275 (2022).
  12. T. Vieu, B. Reville, and F. Aharonian, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 515, 2256 (2022).
  13. G. Morlino, P. Blasi, E. Peretti, and P. Cristofari, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 504, 6096 (2021).
  14. A. Mignone, G. Bodo, S. Massaglia, T. Matsakos, O. Tesileanu, C. Zanni, and A. Ferrari, Astrophys. J. Suppl. Ser. 170, 228 (2007).
  15. A. Mignone, G. Bodo, B. Vaidya, and G. Mattia, Astrophys. J. 859, 13 (2018).
  16. D. V. Badmaev, A. M. Bykov, and M. E. Kalyashova, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 517, 2818 (2022).
  17. D. V. Badmaev, A. M. Bykov, and M. E. Kalyashova, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 527, 3749 (2024).
  18. A. M. Hillas, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 22, 425 (1984).
  19. B. Vaidya, A. Mignone, G. Bodo, P. Rossi, and S. Massaglia, Astrophys. J. 865, 144 (2018).
  20. L. Härer, T. Vieu, and B. Reville, Astron. Astrophys. 698, A6 (2025).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».