超新星遗迹伽玛射线起源的研究

张潇

(南京大学天文与空间科学学院南京210023)

得益于空间和地面伽玛射线望远镜的发展,近十年来越来越多的超新星遗迹在GeV–TeV伽玛能段被发现,使得超新星遗迹伽玛射线研究成为热门领域之一.超新星遗迹伽玛射线的辐射特征是研究激波加速粒子等物理问题的关键,因此我们有必要先回答1个基本问题:超新星遗迹伽玛射线的辐射机制是什么?在超新星遗迹中,电子的逆康普顿与轫致过程(轻子起源)和质子的中性π介子衰变过程(强子过程)都能产生伽玛射线.特别地,揭示超新星遗迹的强子作用过程是证明超新星遗迹激波加速宇宙线这一命题的关键环节.然而甄别伽玛射线是来自强子还是轻子过程是不容易的,但又不可避免.在此背景下,本文专注于研究具体遗迹的伽玛射线起源.

第1章综述伽玛射线的产生机制及探测方法、粒子加速等背景知识以及超新星遗迹的伽玛射线观测和理论研究的现状.

第2章以第谷超新星遗迹为例,结合星际环境的多波段实测,提出该遗迹的伽玛射线来自激波加速的质子与分子云的作用,有力论证了该遗迹加速质子的能量存量和强子伽玛射线辐射特性.通过拟合多波段能谱,我们得到:(1)激波加速的电子质子的数目比在Kep～0.01这一正常量级;(2)平均密度(4–12 cm−3)比由光学和X射线得到的密度至少高了1个量级,这和遗迹东北面存在稠密分子云的多波段观测事实一致.根据遗迹与分子云有相互作用以及第谷方向H I的吸收特征,我们把遗迹的距离定在了2.5kpc.

第3章对于原型伽玛射线超新星遗迹RX J1713.7−3946,通过考虑逃逸质子和周围稠密介质对伽玛射线辐射产生的作用建立双发射区模型,成功地同时解释了这一典型遗迹伽玛射线辐射的谱和空间分布特性.通过马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)方法拟合多波段观测数据,我们发现GeV辐射主要来自外发射区中逃逸质子打击分子云腔壁的强子过程;TeV辐射主要来自内发射区中电子的逆康普顿过程或质子与可能被震激的分子团块的强子过程.此外,基于此双发射区和能谱拟合结果,我们成功重现了TeV伽玛射线的表面亮度轮廓明显超出非热X射线的空间分布特征.

第4章应用逃逸扩散模型到超新星遗迹G349.7+0.2,成功地解释了该遗迹呈双幂率分布的能谱特征,且得到扩散系数修正因子在χ～0.01–0.1量级.在逃逸扩散模型中,我们考虑了两种逃逸注入过程:在任一瞬时,从激波面逃逸的质子满足幂率分布和δ函数分布,并比较了两种注入过程的逃逸质子分布.通过MCMC方法限制模型参数并和观测比较,我们发现无论何种逃逸注入过程,在遗迹附近都有慢速扩散,扩散系数修正因子在幂率分布注入情形中量级为χ～0.01,而在δ函数注入情形中量级为χ～0.1.

第5章主要以TeV有壳层结构的遗迹为样本,且包含另外两个年轻遗迹,采用单发射区模型来拟合射电、X射线和伽玛射线的能谱.基于拟合结果,我们发现随着遗迹膨胀,电子能谱会逐渐变硬(谱指数变小);而其他参数似乎会经历两个不同的阶段.在早期～1000 yr内,截断形状参数大(即截断能量以上的粒子会迅速减少),磁场随年龄增加而明显减小,这可能和早期强磁场下有高效的辐射损失有关;超过约1000 yr后,磁场变化变缓,截断形状参数逐渐变小,即在截断能量以上的高能粒子增多.这些结果和遗迹激波演化图像一致,但电子谱指数逐渐变硬的趋势则挑战经典线性加速理论.

第6章是对其他超新星遗迹Fermi伽玛射线观测结果的理论计算,讨论包括源HESS J1731−347、SN 1006、RCW 103、Kes 27、Kes 41的伽玛射线的可能起源并基于模型拟合结果排除一些伽玛射线产生机制.在这些事例中,可以看到遗迹所处的环境对澄清伽玛射线的起源机制起了非常重要的作用.

在最后总结了本文工作并讨论了超新星遗迹伽玛射线领域的一些热点问题以及一些后续工作.