闲话超新星遗迹
早就打算写点关于超新星遗迹的东西了，毕竟暑假实习就是做的这个方向，文章杂七杂八读了一大堆，也该总结总结了，只是因为手懒，才拖到了现在。既然说是闲话，本人也不敢保证文中内容有多系统，只以假期所见所学为准，一路扯开去。
首先说明两点。一是暑假实习期间我只是鼓捣了北天30个最大的超新星遗迹的东西，所以不要问我为什么文中没有蟹状星云的介绍。实际上这个面积最大+北天的条件限制了很多，比如三类超新星遗迹（详情见下文）中的一类完全被忽略。不过既然我手边的资料多为此30个大遗迹的，文中还是以它们为主要参考。
二是D. A. Green的Catalogue（下文姑且称其为Green表）中超新星遗迹的表示方法，即“G 银经 银纬”的格式，当然数据都是遗迹中心的坐标，因此在不同文献中小数点后的数值可能略有不同。实际上这一表示方式可用于表示所有天区。下文即全部采用此种格式，不再一一说明。
然后要澄清一点。也许很多人一提到超新星遗迹心中就浮现出蟹状星云的可见光照片，更进一步可能有面纱星云、船帆座遗迹之类的图象，不过照旧是可见光的。但事实是，只有少数超新星遗迹检测到了可见光辐射。依照Green表所列的诸多文献，研究超新星遗迹主要还是靠射电和X射线波段，如果不计
射线的话正好是电磁波谱的两头。其中各遗迹基本都有射电波段的观测资料，有X射线资料的要少些，光学和红外波段的还要少，紫外的更是少得可怜，射线可能是由于分辨率限制，观测对象多为某一片较大的天区，鲜少有针对某一遗迹的观测，所以也不要问我为什么下文的重点不在光学波段上。
以下进入正题：
在Green表中列出了银河系中目前已知的265个超新星遗迹（截至2006年9月）。如果按外形分，这些遗迹分属3类：壳层（Shell，S）型、实心型（Filled-center，F，或称Plerionic）和混合型（Composite，C），另有少量遗迹类别不明。面积最大的遗迹（实际上也是所有265个遗迹）多属S型，F型仅限小遗迹，面积最大的F型遗迹G27.8+0.6也只有
角分，比起大型S型遗迹动辄上百角分的尺度实在是小了很多。暑假实习期间的工作主要是为了配合乌鲁木齐6厘米巡天计划，因该巡天的分辨率所限，重点也就集中在了大于60角分的遗迹上。
3种类型超新星遗迹的物理机制是完全不同的。S型遗迹主要是超新星抛射物质与星周介质的作用的产物，F型则是靠中央致密天体供能，C型兼而有之。论辐射谱，F型是非热谱，谱指数小于0.3，S型是射电非热+X射线热谱，且谱指数一般大于0.3。就本质来说，C、F型是相同的，都起源于大质量恒星死亡时的爆发，只是星际介质密度不同，才造就了不同的外观。
不过不要以为超新星遗迹类别的判断是容易事，要不Green表中也不会出现那么多问号。有几个遗迹模样实在怪异，让人一时下不了定论。比如外观颇似海螺的G39.7-2.0（W50），壳层样子特殊不说，还没有典型的中心增亮。如果说它是S型，中央又冒出个致密源。长相古怪的G69.0+2.7（CTB 80）论谱指数分布倒是符合C型遗迹的特征，但从外观上看，称其外缘为壳层实在是勉强。K. W. Weiler在1983年的文章The Crab Nebula Is Not Along中将上述二遗迹均归为C型，但至今Green表仍将其类别看作未定。（BTW，强烈鄙视《中国少年儿童百科全书》，居然把G39.7-2.0的中心天体SS433说得那么玄乎，不就是致密天体+喷流么……）而随着观测精度的提高，很多原先认为是S型的遗迹中也有致密天体发现，那它们的类别也就要作相应变化了。
G39.7-2.0 at 1465 MHz。（Dubner et al. 1998）
G69.0+2.7 at 1380 MHz。（Castelletti et al. 2003）
更何况，判断某天体是不是超新星遗迹都很麻烦，所以也不要认为Green表中的所有天体都坐稳了超新星遗迹的位置。有数个先例是把H II区当成遗迹，更“离谱”的是曾有射电星系被误认，而且误认者还是颇有名气的Farhad Yusef-Zadeh。判断依据一般是辐射谱和偏振特性。G166.2+2.5（OA 184）就是因为没有X射线辐射和低频射电辐射，谱指数过小且不存在偏振，最近被开除出Green表的。而在此之前，它一直被当作是大型超新星遗迹看待，有关文献不计其数。
如果再进一步划分，就要牵扯到超新星遗迹的谱了。这种划分主要是针对S型遗迹的，与前身星有关，本文对此不枝蔓，有兴趣者可参考《X射线天体物理学》一书。
S型遗迹的主要特征当然是壳层。这一特征在射电波段尤为明显。按说壳层应该是比较规则的圆形，不过由于星际介质环境的复杂，壳层也就有了种种变体。
30个大遗迹中，我以为壳层最标准的是G127.1+0.5，非常漂亮的圆环啊~~~虽然亮度不是很均匀。当时同一办公室某个专攻亚毫米波的博士生对该遗迹的评价是：这不是画出来的吧……不过随着波长的增加，G127.1+0.5的圆形壳层也逐渐变得不那么标准了，西侧明显变扁……
G127.1+0.5 at 608.5 MHz。（Pauls et al. 1982）
最有特色的当属G166.0+4.3。依照Green表的描述，Two arcs of strikingly different radii，不过其光学图象倒是较标准的圆形壳层。正因为其在射电波段上古怪的外表，有文献还专门讨论这是不是两个在视向方向上重叠的遗迹，更多的文献则认为此种外观与星际介质的不均匀有关。
G166.0+4.3 at 1420 MHz。(Leahy & Tian 2005)
然后是不对称的壳层。一般C型遗迹虽然壳层多少有点不对称，但偏离中心非常厉害还是比较少见的。G106.3+2.7就是那不多见的异类之一：
G106.3+2.7 at 1420 MHz。（Pineault & Joncas 2000）
另外再找两个例子：
（1）G182.4+4.3的不完整壳层：
G182.4+4.3 at 10450 MHz。（Kothes et al. 1998）
（2）G160.9+2.6的纤维状壳层，这种结构似乎在光学波段更为常见：
G160.9+2.6 at 1420 MHz。（Leahy & Roger 1991）
既然说超新星遗迹就不能不说说偏振，这是超新星遗迹的特征之一。一般来说S型遗迹偏振较弱，F型偏振较强。有壳层的遗迹偏振多沿壳层方向（个人感觉是沿射电壳层较亮的方向）分布。偏振的观测涉及到Stokes参量的测量，具体观测方法不细说（其实我也不是很清楚，只是从《实测天体物理》的书上读过一些，至于实际操作那是没有过的……）。乌鲁木齐巡天测量的是
、
和
3个参量，由此不难求得偏振。
依照《X射线天体物理学》一书的介绍，S型遗迹的X射线图象也应呈壳层状。不过就我所见，有中心增亮现象的S型遗迹绝非少数，如G13.3-1.3、G28.8+1.5、G89.0+4.7、G119.5+10.2、G160.9+2.6等。该书认为此类超新星遗迹不能用传统的S型遗迹模型来解释，中心增亮与星风中的物质团块在激波扫过后被蒸发有关。有说法是这类遗迹属于新的类型——热混合型遗迹。
G119.5+10.2。（Seward et al. 1995）
G65.2+5.7更特殊些，在低能段略呈壳层状，随着能量增加，中心增亮逾发明显：
G65.2+5.7 at 0.11–0.284 keV（左） & G65.2+5.7 at 0.44–1.21 keV（右）。（Shelton et al. 2004）
当然，X射线下呈壳层状的遗迹也是有不少的，比如著名的天鹅圈G74.0-8.5，所谓“天空中最大的问号”是也（因为射电图象上东南侧的断裂）。其X射线的壳层比射电波段的还要完整些：
G74.0-8.5。（Aschenbach & Leahy 1999）
另有一些C型遗迹（如G189.1+3.0）在X射线下可见中央致密点源。G39.7-2.0则是连同中央致密源的喷流也清晰可见。
好了，终于可以说说超新星遗迹的光学形象了。说句实话，至少对这30个大遗迹来说，我所找到的新近光学观测较少，从ADS上下载的老文章又多为扫描稿，文字部分读起来还不错，图片的分辨率却实在是不敢恭维。射电、X射线有不少是等高线图，问题不大；光学波段的灰度图就惨了点。于是乎，连G39.7-2.0、G69.0+2.7这样的大型遗迹都可以算作是缺乏光学资料。不过G69.0+2.7的[S II]波段照片上勉强可以看出，该遗迹中央部分的弥漫星云物质略呈壳层形，不知道能不能为其分类为C型提供点证据。
从少数新近的光学图象或较清晰的老图片上可见，很多遗迹的外观与射电波段明显不同，有些遗迹明明在射电波段壳层十分明显，在光学波段却只有不完整的壳层（如G160.9+2.6），或干脆只是弥漫物质（G13.3-1.3，虽然该遗迹的射电壳层也不很清晰）。当然，完整的光学壳层也是存在的，如G180.0-1.7（S147），光学壳层倒是比射电的完整：
G180.0-1.7。（Drew et al. 2005）
对于S型超新星遗迹来说，纤维（Filament）结构十分常见，这与等离子体的性质有关，如天鹅圈中部：
G74.0-8.5。（Aschenbach & Leahy 1999）
至于红外波段所见的遗迹则多为shocked dust的形态，如下面这个例子：
G189.1+3.0 at 100 micron。（van Dishoeck et al. 1993）
其他波段实在写不出来，因为资料太少，所以就算了吧……
扯完外观开始扯超新星遗迹的谱。前面已经说过，F型遗迹在射电和X射线波段上都是非热幂律谱，遗迹的辐射来自相对论性电子的同步加速辐射，供能的是自传逐渐减慢的中央致密天体。对于S型，X射线辐射则来自激波加热，故属于热谱。
所谓幂律谱，是指谱的强度和频率满足以下关系：
在对数坐标中，这样的谱就呈直线，斜率即为谱指数-
。超新星遗迹的谱指数是个重要的参量。上文提到过S型与F型遗迹的谱指数数值特征，但这并非绝对：至少对S型遗迹G43.9+1.6来说，其谱指数只有0.2，倒是与F型相合，怕是值得研究的一件事，只是该遗迹的射电图象实在黯淡。G43.9+1.6附近有一软射线再现源（soft gamma-ray repeater），有文章认为与该遗迹成协。难不成该遗迹应该是C型，所以存在谱指数较小的区域？
如Green表指出的那样，超新星遗迹的谱指数也并非一成不变。如很多大遗迹的谱指数是处处不同的，具体数值往往与形态有关。如G74.0-8.5中，在热等离子体与辐射电子混合的区域谱指数就有相应减小；激波的加速也会带来谱指数的变化。
G180.0-1.7的射电谱中有折断。不过实习时据马克斯·普朗克研究所的专家Fuerst说，这种形态可能与背景选取有关，并非真实现象。
Kundu et al. (1980)
光学波段的谱往往有大量发射线（似乎与发射星云类似），如6300埃的[O I]线、6717和6731埃的[S II]双线等，其中很多是禁线。这些也是光学观测常用的波段。
Zealey et al. (1980)
对于S型遗迹（和C型的壳层）来说，X射线谱为热谱，这是激波加热的结果。因为我暑假时没把精力放在这上面，只举G39.7-2.0当作例子就了结：
Yamauchi et al. (1994)
再扯两句（S型）超新星遗迹的演化。基本假定是周围星际介质均匀，且不考虑超新星前身星的物质抛射。演化大致分自由膨胀、绝热、辐射和消失4个相，其中目前观测到的超新星遗迹多处于绝热相，此阶段激波扫过的物质质量已大于超新星爆发抛射的物质，但辐射损能可以忽略，能量仍旧可以看作是守恒的，遗迹X射线光度则与星际介质密度、等离子体冷却率和壳层尺度有关。一旦辐射损能多至不可忽略，遗迹演化即进入下一相。当然，与实际相比，这些假定粗糙得很，所以种种偏差还是存在的。
最后介绍一下研究超新星遗迹时常用的三样工具。一是所谓Channel Map，一般观测对象是HI线，但并非严格的1420 MHz，而是与此有所偏离，这样就可以利用多普勒位移原理求出被测氢云的速度，与超新星遗迹的形态对照，再根据星系自转曲线即可求得距离。二是Rotation Measure，该参数与电子密度和电磁波传播方向的磁场强度有关，决定了入射电磁波的法拉第旋转角，是磁场的度量。不过Rotation Measure的具体求法我倒不是很清楚，实习时据组内的研究生说是要用两张不同波段的射电图，然后交由专门的软件处理即可。三是T-T plot，这是用于研究幂律谱的工具，横纵轴分别是两个波段上的温度（对应的是天线接收的强度），斜率就是谱指数了，一大关键在于背景的选取。
末了再留个问题：某超新星遗迹是否可能不存在（并非没有发现）中央致密天体？这个问题是初到实习地时导师问我的，当时竟然卡住了，真想找个地缝钻下去……
参考资料：
[1] A Catalogue of Galactic Supernova Remnants, D. A. Green
[2] 《X射线天体物理学》，王绶琯 周又元 主编，科学出版社，1999
