超新星遺跡伽瑪射線起源的研究

張瀟

(南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院南京210023)

得益于空間和地面伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展,近十年來越來越多的超新星遺跡在GeV–TeV伽瑪能段被發(fā)現(xiàn),使得超新星遺跡伽瑪射線研究成為熱門領(lǐng)域之一.超新星遺跡伽瑪射線的輻射特征是研究激波加速粒子等物理問題的關(guān)鍵,因此我們有必要先回答1個基本問題:超新星遺跡伽瑪射線的輻射機制是什么?在超新星遺跡中,電子的逆康普頓與軔致過程(輕子起源)和質(zhì)子的中性π介子衰變過程(強子過程)都能產(chǎn)生伽瑪射線.特別地,揭示超新星遺跡的強子作用過程是證明超新星遺跡激波加速宇宙線這一命題的關(guān)鍵環(huán)節(jié).然而甄別伽瑪射線是來自強子還是輕子過程是不容易的,但又不可避免.在此背景下,本文專注于研究具體遺跡的伽瑪射線起源.

第1章綜述伽瑪射線的產(chǎn)生機制及探測方法、粒子加速等背景知識以及超新星遺跡的伽瑪射線觀測和理論研究的現(xiàn)狀.

第2章以第谷超新星遺跡為例,結(jié)合星際環(huán)境的多波段實測,提出該遺跡的伽瑪射線來自激波加速的質(zhì)子與分子云的作用,有力論證了該遺跡加速質(zhì)子的能量存量和強子伽瑪射線輻射特性.通過擬合多波段能譜,我們得到:(1)激波加速的電子質(zhì)子的數(shù)目比在Kep～0.01這一正常量級;(2)平均密度(4–12 cm?3)比由光學(xué)和X射線得到的密度至少高了1個量級,這和遺跡東北面存在稠密分子云的多波段觀測事實一致.根據(jù)遺跡與分子云有相互作用以及第谷方向H I的吸收特征,我們把遺跡的距離定在了2.5kpc.

第3章對于原型伽瑪射線超新星遺跡RX J1713.7?3946,通過考慮逃逸質(zhì)子和周圍稠密介質(zhì)對伽瑪射線輻射產(chǎn)生的作用建立雙發(fā)射區(qū)模型,成功地同時解釋了這一典型遺跡伽瑪射線輻射的譜和空間分布特性.通過馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)方法擬合多波段觀測數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)GeV輻射主要來自外發(fā)射區(qū)中逃逸質(zhì)子打擊分子云腔壁的強子過程;TeV輻射主要來自內(nèi)發(fā)射區(qū)中電子的逆康普頓過程或質(zhì)子與可能被震激的分子團塊的強子過程.此外,基于此雙發(fā)射區(qū)和能譜擬合結(jié)果,我們成功重現(xiàn)了TeV伽瑪射線的表面亮度輪廓明顯超出非熱X射線的空間分布特征.

第4章應(yīng)用逃逸擴散模型到超新星遺跡G349.7+0.2,成功地解釋了該遺跡呈雙冪率分布的能譜特征,且得到擴散系數(shù)修正因子在χ～0.01–0.1量級.在逃逸擴散模型中,我們考慮了兩種逃逸注入過程:在任一瞬時,從激波面逃逸的質(zhì)子滿足冪率分布和δ函數(shù)分布,并比較了兩種注入過程的逃逸質(zhì)子分布.通過MCMC方法限制模型參數(shù)并和觀測比較,我們發(fā)現(xiàn)無論何種逃逸注入過程,在遺跡附近都有慢速擴散,擴散系數(shù)修正因子在冪率分布注入情形中量級為χ～0.01,而在δ函數(shù)注入情形中量級為χ～0.1.

第5章主要以TeV有殼層結(jié)構(gòu)的遺跡為樣本,且包含另外兩個年輕遺跡,采用單發(fā)射區(qū)模型來擬合射電、X射線和伽瑪射線的能譜.基于擬合結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)隨著遺跡膨脹,電子能譜會逐漸變硬(譜指數(shù)變小);而其他參數(shù)似乎會經(jīng)歷兩個不同的階段.在早期～1000 yr內(nèi),截斷形狀參數(shù)大(即截斷能量以上的粒子會迅速減少),磁場隨年齡增加而明顯減小,這可能和早期強磁場下有高效的輻射損失有關(guān);超過約1000 yr后,磁場變化變緩,截斷形狀參數(shù)逐漸變小,即在截斷能量以上的高能粒子增多.這些結(jié)果和遺跡激波演化圖像一致,但電子譜指數(shù)逐漸變硬的趨勢則挑戰(zhàn)經(jīng)典線性加速理論.

第6章是對其他超新星遺跡Fermi伽瑪射線觀測結(jié)果的理論計算,討論包括源HESS J1731?347、SN 1006、RCW 103、Kes 27、Kes 41的伽瑪射線的可能起源并基于模型擬合結(jié)果排除一些伽瑪射線產(chǎn)生機制.在這些事例中,可以看到遺跡所處的環(huán)境對澄清伽瑪射線的起源機制起了非常重要的作用.

在最后總結(jié)了本文工作并討論了超新星遺跡伽瑪射線領(lǐng)域的一些熱點問題以及一些后續(xù)工作.