pev 你可曾目睹浩瀚星辰绽放烟花？银河系将迎来高能粒子流疾风骤雨
你可曾目睹浩瀚星辰中绽放烟花？在银河系的夜空中，每百年就会上演一次烟花秀--超新星爆发。这种罕见的天象昭示着恒星生命最后的绚烂。即便这场盛况终将归于平寂，超新星遗迹内早已掀起“惊涛骇浪”——银河系将迎来高能粒子流的疾风骤雨。
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。
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图1
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。
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图2
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。
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