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2013-3-16

作为宇宙线加速器的超新星遗迹

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 3:53 pm

宇宙线的起源一直是天体物理学中的一大重要问题。长期以来就有学者猜测,由于激波加速是宇宙线加速的重要机制,存在强激波的超新星遗迹很可能就是这些以接近光速运行的粒子(以质子为主)的加速场所之一。但由于带电粒子在运动期间会严重受到磁场的影响,其运动方向无法反映它们的原始起源,想要验证这一观点还是困难重重的。

而最近费米伽玛射线空间望远镜的观测可能为超新星加速宇宙线提供了线索。其中借助的原理很简单:当宇宙线与星际介质中的核子相撞时,就会产生π介子,随后π介子衰变形成伽玛光子;同时宇宙线中的电子成分也可能进行逆康普顿散射,贡献部分高能辐射。而费米的大面积望远镜有能力在GeV伽玛射线能段系统地巡视整个银河系,进而拣选出其中的伽玛射线超新星遗迹来。

费米望远镜眼中的伽玛射线超新星遗迹主要有4个,分别是仙后A、W51C、W44以及IC 443。这其中的仙后A较为年轻,只有300多年的历史,其他三个算是中年超新星遗迹,年龄介于4000到30000年之间。乍看上去,这几个超新星遗迹的形态与行为各不相同,仙后A更接近点源,且根据先前地面切伦科夫望远镜的观测,它拥有较强的TeV辐射;三个中年遗迹的GeV辐射区延展范围更大,且TeV辐射较弱。

几个主要伽玛射线超新星遗迹的位置。(图片提供:NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)

当然费米望远镜并不能直接观测到宇宙线的加速过程。但它提供的最重要线索是,在这几个超新星遗迹(尤其是表现为展源的中年遗迹)中,GeV伽玛射线源自激波与外围低温星际分子云相互作用最为强烈的区域。同时,GeV能段的辐射谱呈现拐折幂律的形态,可以用中性π介子衰变很好哦地解释。既然对于这几个超新星遗迹都是如此,自然的解释就是,介子衰变是由宇宙线碰撞诱发的,因此我们观测到的高能辐射是宇宙线加速的产物。

IC 443的GeV能谱。其中上下两组数据点分别表示IC 443本身的辐射以及背景辐射,虚线表示银河系宇宙线与遗迹相互作用产生的π介子衰变能谱(流量被提高了100倍),点线表示遗迹内加速的宇宙线逃逸时产生的辐射谱,可以用带拐折的幂律谱很好地拟合。可见后者与实际数据吻合得很好。(图片来源:Abdo et al. 2010

从外观形态上看,源自超新星遗迹的伽玛射线辐射往往与其他波段的亮区成协,这些区域一般被认为是遗迹与分子云作用的产物:

两个超新星遗迹的多波段影像,左:仙后A(图片提供:NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, CXC/SAO/JPL-Caltech/Steward/O. Krause et al., and NRAO/AUI);右:W44(图片提供: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, ROSAT, JPL-Caltech, and NRAO/AUI)。图中GeV伽玛射线辐射均用紫色表示,此外蓝、绿色表示X射线,黄色表示可见光,红色表示红外线,橙色表示射电辐射。

至于不同年龄超新星遗迹行为的差异,可以用高能宇宙线粒子的逃逸来解释。年轻的遗迹拥有较强的磁场,可以将更多粒子束缚其中,并让它们被激波反复加速,最终达到较高的能量。随着时间的推移,超新星遗迹的磁场也有所衰减,对高能粒子的束缚力不从心,自然特征辐射的能段随之下降。

当然,为了最终确认超新星遗迹作为宇宙线加速器的身份,现在还有很多工作要做。首当其冲的就是要敲定观测到的伽玛射线辐射与分子云的成协性。对辐射机制以及宇宙线逃逸机制的进一步确认也是需要的。这些都有待更多观测数据的积累。

实际上研究宇宙线的起源地正是费米望远镜的主要目标之一,也是这架望远镜之所以得名费米的原因——1949年,意大利裔美国物理学家恩里克·费米第一次提出了以他名字命名的宇宙线加速机制,揭开了宇宙线研究的新篇章。如果未来超新星遗迹加速宇宙线的过程可以被最终确定下来,那么费米望远镜也着实是没有辜负这个名字,宇宙线研究也算是完成了圆满的循环。

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