The Innovation | X射线观测揭示银河系中PeV宇宙线的可能来源
导 读
宇宙线是来自宇宙空间的高能带电粒子流，主要成分为质子。观测表明，银河系内天体产生的宇宙线能量至少可达1PeV(1PeV=1015eV)左右，但宇宙线的起源之谜仍未解开。超新星遗迹被认为是银河系宇宙线的主要起源，特别是年轻的超新星遗迹被认为有能力加速PeV宇宙线，但缺乏有力的观测证据。
1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯通过气球实验发现了宇宙线，他也因此获得1936年诺贝尔物理学奖。宇宙线被发现一百年有余，它的起源天体和加速机制仍是难解的谜题。因为宇宙线是带电的高能粒子，它们的运动方向在传播过程中受星际磁场的影响发生偏转，因此无法通过它们到达地球的方向来逆推其起源方位，以判定加速源到底是何种天体。
图1 超新星遗迹（SNR） G106.3+2.7三维结构示意图。左图显示大质量恒星在死亡时产生超新星并向四周抛射大量物质（SN ejecta），SNR是这些物质与周边介质碰撞后的产物，SNR的前身星塌缩成为脉冲星（pulsar; 黄色星星），因此假设超新星的爆发中心在脉冲星附近。观测表明SNR头部附近有致密原子气体（HI Cloud），所以膨胀受阻。而SNR尾部气体较稀薄，SNR以较快的速度膨胀延展。SNR膨胀方向的前沿是抛射物质与周边介质碰撞产生的激波（Shock），激波扫过的粒子在激波面上被加速。高速激波的长时间持续加速能够把宇宙线质子（p）加速到PeV能量，这些超高能质子在逃逸出SNR之后轰击尾部附近的致密分子云（H2 Cloud）产生伽马光子辐射（γ）。地球上观测的视线方向（LOS）为绿色箭头所示，右上图：我们观测到的SNR在天球上的投影图（实际观测图像如图2所示）。右下图为投影效应示意图，我们观测到的SNR是三维SNR结构在天空中的二维投影图像。
从地球上测量的宇宙线总体能谱（宇宙线粒子数目随能量的分布）上发现银河系中存在至少能把粒子加速到PeV（1015eV）的天体。超新星遗迹（SNR）是宇宙线起源的热门天体，它们是恒星死亡的产物。部分恒星以璀璨的超新星爆发来结束自己的一生，而超新星爆发后产生的爆震波（也称为激波）可将周边星际介质中的粒子加速到非常高的能量，这些粒子产生的辐射被称为超新星遗迹。SNR的粒子加速能力对激波的速度非常依赖，具有X射线同步辐射是高速激波的一个重要标志。然而，受阻于周围的星际介质，SNR在膨胀过程中，它们的激波速度会逐渐减小，所以一般认为SNR只有在早期膨胀的几百年时间内有着较高的粒子加速能力。而宇宙线的最大能量也受限于加速时间，几百年的时间或许不足以将粒子加速到PeV。
图2 超新星遗迹（SNR）周围的气体分布图。绿色轮廓为SNR射电波段观测的形态。蓝色图像为原子氢气图像，超新星爆炸后，SNR主要朝着原子氢气稀薄的空腔中进行膨胀（即当前SNR尾部的方位）。SNR头部被较为致密的原子氢气所包围，因此SNR头部膨胀受阻被减速。红色图像为更加致密的分子气体图像。它处在SNR周围，有一部分正好在SNR尾部周围，当高能质子被SNR加速逃逸出来后，这些高能质子像子弹一样轰击在这块分子气体上，产生高能光子辐射，这部分辐射被图中标注（不同颜色的圆圈）的各种伽马射线望远镜探测到了。
最近我们发现在一个形状特殊、呈现出长条状的SNR（根据它在银河系中的方位，命名为SNR G106.3+2.7）中也有X射线同步辐射。学者根据其形态将其划分成两部分，明亮且紧致的东部区域称为头部（Head），暗淡且延展的西部区域称为尾部（Tail）（图1）。这个SNR的非对称形状可能由周边特殊的环境导致：观测表明SNR头部周围密度高，所以因膨胀受阻速度减少；而SNR尾部处于一个低密度的星际介质“空洞”中，所以在这个方向快速延展膨胀（图2）。在这个SNR头部有颗明亮的脉冲星，很可能是超新星爆发的同时由恒星坍缩而成。因此，有科学家根据这颗脉冲星的特征年龄，推算出SNR的年龄大概在几千到一万年左右，已进入中年时期。X射线的形态表明（图3），头部区域的X射线辐射很可能与脉冲星相关，而尾部区域的X射线则是由SNR加速的电子产生的同步辐射。这说明SNR尾部具有速度高达3000km/s以上的激波，可以在几千年内把质子加速到PeV。值得一提的是，这是首次发现中年SNR在产生X射线同步辐射，足见其特殊性。
图3 超新星遗迹（SNR）X射线波段不同方向上的面亮度分布：上图从SNR的脉冲星风云开始（名字为Boomerang），到SNR头部，再到SNR尾部，面亮度和X射线波段的谱指数变化的方式不同，说明这三个区域X射线有不同的来源。下图从SNR尾部到周围ISM背景的面亮度变化，从图中发现SNR内部X射线辐射比周围背景要亮。证明SNR内部有激波将粒子加速到产生X射线辐射。
另一方面，伽马射线的观测也表明SNR G106.3+2.7区域具有非常高能的粒子被加速，但无法分辨这些粒子是电子还是质子。因为伽马射线产生的主要机制有两种：高能质子轰击致密气体产生（伽马射线强子起源）和高能电子散射背景光子产生（伽马射线轻子起源）。而高能电子在磁场中还会通过同步辐射产生X射线，所以X射线是区分伽马射线轻子起源和强子起源的关键。我们通过拟合SNR G106.3+2.7的X射线和伽马射线波段的能谱，证明>30TeV（1TeV = 1012eV）的伽马射线需要由质子产生（图4）。此外SNR的尾部方向正好有一团致密的分子气体（图1和2），为高能伽马射线的产生提供了条件。
图4 对于该超新星遗迹尾部区域多波段能谱数据的理论拟合。蓝色点线和虚点线代表电子通过不同辐射机制产生的辐射流量；红色虚线和虚点线代表质子通过不同机制产生的辐射流量；黑色粗线是所有辐射的总和；绿色实线是质子在辐射伽玛射线时伴随产生的中微子流量。由于磁场是一个不确定的参量，这里分别展示了两种不同磁场强度下的模型预期。可以看到无论是哪种磁场，在电子的辐射符合射电(CGPS)与X射线(XMM)数据的前提下，电子的辐射都无法解释1013eV之上的数据。因此必须要有高能质子的存在才可以解释多波段数据。
综合各方面的观测数据及理论预期，可认为SNR G106.3+2.7的尾部很可能是PeV质子宇宙线的源。相比于普通的中年SNR，G106.3+2.7因其所处环境的特殊性保持了高速的激波，因而有很强的加速能力。相比于同样有高速激波的年轻SNR，G106.3+2.7内的粒子已被激波加速了更长时间，因此更有可能产生PeV宇宙线。
总结和展望
该工作揭示了一个特殊的中年超新星遗迹的存在，突破了宇宙线的超新星遗迹起源学说的标准框架，为银河系PeV宇宙线的起源带来了新线索。或许在银河系中还存在着其它类似的超新星遗迹。多波段观测对于寻找更多类似的超新星遗迹十分重要。随着多波段观测技术和设备的不断升级，相信在不久的将来，人类必将揭开宇宙线起源的神秘面纱。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00043-6
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期以Report发表的“Revealing a peculiar supernova remnant G106.3+2.7 as a petaelectronvolt proton accelerator with X-ray observations” (投稿: 2020-12-17；接收: 2021-03-18；在线刊出: 2021-05-04)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100118
引用格式：Ge C., Liu R., Niu S., et al. (2021). Revealing a peculiar supernova remnant G106.3+2.7 as a petaelectronvolt proton accelerator with X-ray observations. The Innovation. 2(2),100118.
作者简介
柳若愚，南京大学天文与空间科学学院研究员，主要研究领域为高能天体物理。
葛翀，美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校博士后，主要研究领域为星系团物理、星系演化、和高能天体物理。
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