高能宇宙射線來源,更加確定為超新星殘骸

作者 | 發布日期 2021 年 08 月 31 日 9:06 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


大約 100 年前,天文學家開始意識到有些輻射不是來自銀河系內,並最終帶來了高能宇宙射線、高能質子、從原子核中剝離並被加速至相對論速度的電子等新發現。隨著觀測技術進步,科學家開始推測高能宇宙射線可能來自超新星殘骸,現在一篇新研究首次量化了超新星殘骸產生宇宙射線的數量,朝著準確定位宇宙射線來源邁出重要一步。

雖然科學家們推測宇宙射線有多種來源──包括我們自己的太陽、超新星、伽馬射線暴(GRB)、活躍星系核等,但確切起源自 1912 年首次被發現以來一直是個謎。大多數宇宙射線由約 89% 質子、10% 氦原子核(即 α 粒子)與 1% 重元素構成,有些能量可以超過10^20 eV,遠超地球最強大人造粒子加速器「大型強子對撞機(LHC)」粉碎質子的能量千萬倍。

無論是標準的超新星、脈衝星還是黑洞,都不太能將粒子加速到擁有如此巨大的能量,因此天文學家對其來源和機制始終相當困惑,但當宇宙射線穿越我們的銀河系時,會與星際介質相互作用衍生(二次)宇宙線,因此,了解它們的起源對於了解銀河系如何演化至關重要。

過去,科學家推測過宇宙射線多種來源,其中最有把握者為超新星殘骸(supernova remnant,SNR),因為宇宙射線在行進過程中會與星際介質相互作用,進一步產生非常高能的伽馬射線,如果伽馬射線是由宇宙射線的關鍵成分質子產生,那麼宇宙射線的超新星殘骸起源就更可以得到證實。

超新星殘骸是超新星爆發拋出的物質在向外膨脹過程中,與星際介質相互作用而形成的延展天體,根據形態可分成殼層型(中央沒有緻密天體的輻射源)、實心型(沒有殼層結構,中央具有緻密天體提供能量)、複合型(既具有提供能量的中央緻密天體,也有殼層結構)等。

然而高能伽馬射線也可由電子與星際介質中的光子相互作用而形成,此前研究曾表明,由宇宙射線質子與星際介質中質子碰撞所引起的高能伽馬射線,強度與星際氣體密度成正比;由電子與星際介質光子相互作用引起之伽馬射線,則預計與非熱 X 射線強度成正比。

▲ 宇宙射線質子和電子產生伽馬射線示意圖。(Source:名古屋大學

來自日本名古屋大學、日本國家天文台與澳洲阿得雷德大學的科學家們,便利用高能立體視野望遠鏡(High Energy Stereoscopic System,HESS)、XMM-牛頓衛星(XMM-Newton)的數據分析超新星殘骸 RX J1713.7?3946(RX J1713),首次確定宇宙射線釋放的超高能伽馬射線中,至少有 70% 是由相對論質子引起。

此外,研究結果還表明來自質子的伽馬射線在星際氣體聚集區域更常見,來自電子的伽馬射線責更常見於氣體缺乏區域。

這是研究人員首次對超新星殘骸產生的宇宙射線數量進行量化,也是解釋宇宙射線起源的一個里程碑。新論文發表在《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal)。

(首圖來源:pixabay

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