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pev 你可曾目睹浩瀚星辰綻放煙花？銀河系將迎來高能粒子流疾風(fēng)驟雨

你可曾目睹浩瀚星辰中綻放煙花？在銀河系的夜空中，每百年就會上演一次煙花秀--超新星爆發(fā)。這種罕見的天象昭示著恒星生命最后的絢爛。即便這場盛況終將歸于平寂，超新星遺跡內(nèi)早已掀起“驚濤駭浪”——銀河系將迎來高能粒子流的疾風(fēng)驟雨。
宇宙線是來自宇宙空間的高能帶電粒子流，主要成分為質(zhì)子。觀測表明，銀河系內(nèi)天體產(chǎn)生的宇宙線能量至少可達1PeV(1PeV=1015eV)左右，但宇宙線的起源之謎仍未解開。超新星遺跡被認為是銀河系宇宙線的主要起源，特別是年輕的超新星遺跡被認為有能力加速PeV宇宙線，但缺乏有力的觀測證據(jù)。
1912年，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯通過氣球?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn)了宇宙線，他也因此獲得1936年諾貝爾物理學(xué)獎。宇宙線被發(fā)現(xiàn)一百年有余，它的起源天體和加速機制仍是難解的謎題。因為宇宙線是帶電的高能粒子，它們的運動方向在傳播過程中受星際磁場的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此無法通過它們到達地球的方向來逆推其起源方位，以判定加速源到底是何種天體。
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圖1
圖1 超新星遺跡（SNR） G106.3+2.7三維結(jié)構(gòu)示意圖。左圖顯示大質(zhì)量恒星在死亡時產(chǎn)生超新星并向四周拋射大量物質(zhì)（SN ejecta），SNR是這些物質(zhì)與周邊介質(zhì)碰撞后的產(chǎn)物，SNR的前身星塌縮成為脈沖星（pulsar; 黃色星星），因此假設(shè)超新星的爆發(fā)中心在脈沖星附近。觀測表明SNR頭部附近有致密原子氣體（HI Cloud），所以膨脹受阻。而SNR尾部氣體較稀薄，SNR以較快的速度膨脹延展。SNR膨脹方向的前沿是拋射物質(zhì)與周邊介質(zhì)碰撞產(chǎn)生的激波（Shock），激波掃過的粒子在激波面上被加速。高速激波的長時間持續(xù)加速能夠把宇宙線質(zhì)子（p）加速到PeV能量，這些超高能質(zhì)子在逃逸出SNR之后轟擊尾部附近的致密分子云（H2 Cloud）產(chǎn)生伽馬光子輻射（γ）。地球上觀測的視線方向（LOS）為綠色箭頭所示，右上圖：我們觀測到的SNR在天球上的投影圖（實際觀測圖像如圖2所示）。右下圖為投影效應(yīng)示意圖，我們觀測到的SNR是三維SNR結(jié)構(gòu)在天空中的二維投影圖像。
從地球上測量的宇宙線總體能譜（宇宙線粒子數(shù)目隨能量的分布）上發(fā)現(xiàn)銀河系中存在至少能把粒子加速到PeV（1015eV）的天體。超新星遺跡（SNR）是宇宙線起源的熱門天體，它們是恒星死亡的產(chǎn)物。部分恒星以璀璨的超新星爆發(fā)來結(jié)束自己的一生，而超新星爆發(fā)后產(chǎn)生的爆震波（也稱為激波）可將周邊星際介質(zhì)中的粒子加速到非常高的能量，這些粒子產(chǎn)生的輻射被稱為超新星遺跡。SNR的粒子加速能力對激波的速度非常依賴，具有X射線同步輻射是高速激波的一個重要標(biāo)志。然而，受阻于周圍的星際介質(zhì)，SNR在膨脹過程中，它們的激波速度會逐漸減小，所以一般認為SNR只有在早期膨脹的幾百年時間內(nèi)有著較高的粒子加速能力。而宇宙線的最大能量也受限于加速時間，幾百年的時間或許不足以將粒子加速到PeV。
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圖2
圖2 超新星遺跡（SNR）周圍的氣體分布圖。綠色輪廓為SNR射電波段觀測的形態(tài)。藍色圖像為原子氫氣圖像，超新星爆炸后，SNR主要朝著原子氫氣稀薄的空腔中進行膨脹（即當(dāng)前SNR尾部的方位）。SNR頭部被較為致密的原子氫氣所包圍，因此SNR頭部膨脹受阻被減速。紅色圖像為更加致密的分子氣體圖像。它處在SNR周圍，有一部分正好在SNR尾部周圍，當(dāng)高能質(zhì)子被SNR加速逃逸出來后，這些高能質(zhì)子像子彈一樣轟擊在這塊分子氣體上，產(chǎn)生高能光子輻射，這部分輻射被圖中標(biāo)注（不同顏色的圓圈）的各種伽馬射線望遠鏡探測到了。
最近我們發(fā)現(xiàn)在一個形狀特殊、呈現(xiàn)出長條狀的SNR（根據(jù)它在銀河系中的方位，命名為SNR G106.3+2.7）中也有X射線同步輻射。學(xué)者根據(jù)其形態(tài)將其劃分成兩部分，明亮且緊致的東部區(qū)域稱為頭部（Head），暗淡且延展的西部區(qū)域稱為尾部（Tail）（圖1）。這個SNR的非對稱形狀可能由周邊特殊的環(huán)境導(dǎo)致：觀測表明SNR頭部周圍密度高，所以因膨脹受阻速度減少；而SNR尾部處于一個低密度的星際介質(zhì)“空洞”中，所以在這個方向快速延展膨脹（圖2）。在這個SNR頭部有顆明亮的脈沖星，很可能是超新星爆發(fā)的同時由恒星坍縮而成。因此，有科學(xué)家根據(jù)這顆脈沖星的特征年齡，推算出SNR的年齡大概在幾千到一萬年左右，已進入中年時期。X射線的形態(tài)表明（圖3），頭部區(qū)域的X射線輻射很可能與脈沖星相關(guān)，而尾部區(qū)域的X射線則是由SNR加速的電子產(chǎn)生的同步輻射。這說明SNR尾部具有速度高達3000km/s以上的激波，可以在幾千年內(nèi)把質(zhì)子加速到PeV。值得一提的是，這是首次發(fā)現(xiàn)中年SNR在產(chǎn)生X射線同步輻射，足見其特殊性。

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