高能宇宙射线来源,更加确定为超新星残骸

大约100年前,天文学家开始意识到有些辐射不是来自银河系内,并最终带来了高能宇宙射线、高能质子、从原子核中剥离并被加速至相对论速度的电子等新发现。随着观测技术进步,科学家开始推测高能宇宙射线可能来自超新星残骸,现在一篇新研究首次量化了超新星残骸产生宇宙射线的数量,朝着准确定位宇宙射线来源迈出重要一步。

虽然科学家们推测宇宙射线有多种来源──包括我们自己的太阳、超新星、伽马射线暴(GRB)、活跃星系核等,但确切起源自1912年首次被发现以来一直是个谜。大多数宇宙射线由约89%质子、10%氦原子核(即α粒子)与1%重元素构成,有些能量可以超过10^20 eV,远超地球最强大人造粒子加速器“大型强子对撞机(LHC)”粉碎质子的能量千万倍。

无论是标准的超新星、脉冲星还是黑洞,都不太能将粒子加速到拥有如此巨大的能量,因此天文学家对其来源和机制始终相当困惑,但当宇宙射线穿越我们的银河系时,会与星际介质相互作用衍生(二次)宇宙线,因此,了解它们的起源对于了解银河系如何演化至关重要。

过去,科学家推测过宇宙射线多种来源,其中最有把握者为超新星残骸(supernova remnant,SNR),因为宇宙射线在行进过程中会与星际介质相互作用,进一步产生非常高能的伽马射线,如果伽马射线是由宇宙射线的关键成分质子产生,那么宇宙射线的超新星残骸起源就更可以得到证实。

超新星残骸是超新星爆发抛出的物质在向外膨胀过程中,与星际介质相互作用而形成的延展天体,根据形态可分成壳层型(中央没有致密天体的辐射源)、实心型(没有壳层结构,中央具有致密天体提供能量)、复合型(既具有提供能量的中央致密天体,也有壳层结构)等。

然而高能伽马射线也可由电子与星际介质中的光子相互作用而形成,此前研究曾表明,由宇宙射线质子与星际介质中质子碰撞所引起的高能伽马射线,强度与星际气体密度成正比;由电子与星际介质光子相互作用引起之伽马射线,则预计与非热X射线强度成正比。

宇宙射线质子和电子产生伽马射线示意图。 (Source:名古屋大学)

来自日本名古屋大学、日本国家天文台与澳洲阿得雷德大学的科学家们,便利用高能立体视野望远镜(High Energy Stereoscopic System,HESS)、XMM-牛顿卫星(XMM-Newton)的数据分析超新星残骸RX J1713.7(RX J1713),首次确定宇宙射线释放的超高能伽马射线中,至少有70%是由相对论质子引起。

此外,研究结果还表明来自质子的伽马射线在星际气体聚集区域更常见,来自电子的伽马射线责更常见于气体缺乏区域。

这是研究人员首次对超新星残骸产生的宇宙射线数量进行量化,也是解释宇宙射线起源的一个里程碑。新论文发布在《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal)。

(首图来源:pixabay)

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