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(lái)越來(lái)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(wèn)題的關(guān)鍵,因此我們有必要先回答1個(gè)基本問(wèn)題:超新星遺跡伽瑪射線的輻射機(jī)制是什么?在超新星遺跡中,電子的逆康普頓與軔致過(guò)程(輕子起源)和質(zhì)子的中性π介子衰變過(guò)程(強(qiáng)子過(guò)程)都能產(chǎn)生伽瑪射線.特別地,揭示超新星遺跡的強(qiáng)子作用過(guò)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(lái)自強(qiáng)子還是輕子過(guò)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(jī)制及探測(cè)方法、粒子加速等背景知識(shí)以及超新星遺跡的伽瑪射線觀測(cè)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(shí)測(cè),提出該遺跡的伽瑪射線來(lái)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(qiáng)子伽瑪射線輻射特性.通過(guò)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(jí);(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(gè)量級(jí),這和遺跡東北面存在稠密分子云的多波段觀測(cè)事實(shí)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(duì)于原型伽瑪射線超新星遺跡RX J1713.7?3946,通過(guò)考慮逃逸質(zhì)子和周圍稠密介質(zhì)對(duì)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(shí)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(guò)馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)方法擬合多波段觀測(cè)數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)GeV輻射主要來(lái)自外發(fā)射區(qū)中逃逸質(zhì)子打擊分子云腔壁的強(qiáng)子過(guò)程;TeV輻射主要來(lái)自內(nèi)發(fā)射區(qū)中電子的逆康普頓過(guò)程或質(zhì)子與可能被震激的分子團(tuán)塊的強(qiáng)子過(guò)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)修正因子在χ～0.01–0.1量級(jí).在逃逸擴(kuò)散模型中,我們考慮了兩種逃逸注入過(guò)程:在任一瞬時(shí),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(guò)程的逃逸質(zhì)子分布.通過(guò)MCMC方法限制模型參數(shù)并和觀測(cè)比較,我們發(fā)現(xiàn)無(wú)論何種逃逸注入過(guò)程,在遺跡附近都有慢速擴(kuò)散,擴(kuò)散系數(shù)修正因子在冪率分布注入情形中量級(jí)為χ～0.01,而在δ函數(shù)注入情形中量級(jí)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(gè)年輕遺跡,采用單發(fā)射區(qū)模型來(lái)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(huì)逐漸變硬(譜指數(shù)變小);而其他參數(shù)似乎會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)不同的階段.在早期～1000 yr內(nèi),截?cái)嘈螤顓?shù)大(即截?cái)嗄芰恳陨系牧Ｗ訒?huì)迅速減少),磁場(chǎng)隨年齡增加而明顯減小,這可能和早期強(qiáng)磁場(chǎng)下有高效的輻射損失有關(guān);超過(guò)約1000 yr后,磁場(chǎng)變化變緩,截?cái)嘈螤顓?shù)逐漸變小,即在截?cái)嗄芰恳陨系母吣芰Ｗ釉龆?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(shì)則挑戰(zhàn)經(jīng)典線性加速理論.

第6章是對(duì)其他超新星遺跡Fermi伽瑪射線觀測(cè)結(jié)果的理論計(jì)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(jī)制.在這些事例中,可以看到遺跡所處的環(huán)境對(duì)澄清伽瑪射線的起源機(jī)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(diǎn)問(wèn)題以及一些后續(xù)工作.