本文關(guān)鍵詞：超新星遺跡伽瑪射線起源的研究

  更多相關(guān)文章： 超新星遺跡 伽瑪射線 宇宙線 粒子加速

【摘要】：高能伽瑪射線始終和相對論性粒子聯(lián)系在一起,是研究相對論性粒子加速及相關(guān)物理過程的有力探針。得益于空間和地面伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展,近十年來越來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。這些觀測結(jié)果促進(jìn)了我們對遺跡激波的粒子加速過程,磁場放大,加速的高能粒子對遺跡演化的反饋等相關(guān)物理過程的理解,且在回答宇宙線起源的世紀(jì)難題上向前邁進(jìn)了一大步。超新星遺跡伽瑪射線的輻射特征是研究這些物理問題的關(guān)鍵,因此我們必須先回答一個(gè)基本問題：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程(輕子起源)和質(zhì)子的中性π介子衰變過程(強(qiáng)子過程)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自強(qiáng)子還是輕子作用的輻射是不容易的,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。第一章綜述伽瑪射線的產(chǎn)生機(jī)制及探測方法,粒子加速等背景知識,以及超新星遺跡的伽瑪射線觀測和理論研究的現(xiàn)狀。第二章以第谷超新星遺跡為例,結(jié)合星際環(huán)境多波段實(shí)測,提出伽瑪射線來自激波加速的質(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�；诹Ｗ蛹铀倌Ｐ陀�(jì)算結(jié)果和與其它類似遺跡比較,我們提出對這樣年輕歷史超新星遺跡,須用較少的高能質(zhì)子(能量轉(zhuǎn)化效率量級為?～1%)與更多的靶標(biāo)粒子(即稠密云)發(fā)生的強(qiáng)子過程解釋其多波段輻射。通過擬合多波段能譜,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；(2)平均密度(4-12cm-3)比由光學(xué)和X射線得到的密度至少高了一個(gè)量級,這和遺跡東北面存在稠密分子云的多波段觀測事實(shí)一致,而第谷與分子云的作用剛剛被我們最新的CO譜線觀測證實(shí)。根據(jù)遺跡與分子云有相互作用以及第谷方向HⅠ的吸收特征,我們把遺跡的距離定在了2.5kpc。第三章對于原型伽瑪射線超新星遺跡RX J1713.7-3946,通過引入逃逸質(zhì)子和周圍稠密介質(zhì)對伽瑪射線輻射產(chǎn)生的作用,成功地同時(shí)解釋了這一典型伽瑪射線超新星遺跡(甚)高能伽瑪射線輻射的譜和空間分布上的特性�？紤]到此遺跡處在由其前身星星風(fēng)吹出的分子云腔中演化,逃逸質(zhì)子與分子云的作用不能被有意或無意地?zé)o視。我們首先對“質(zhì)子累積性擴(kuò)散模型”改進(jìn)了解法。繼而提出了考慮質(zhì)子擴(kuò)散過程的雙發(fā)射區(qū)模型：遺跡本身為內(nèi)發(fā)射區(qū),被逃逸質(zhì)子“照亮”的分子云腔壁為外發(fā)射區(qū)。通過馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)方法擬合多波段觀測數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)GeV輻射主要來自外發(fā)射區(qū)中逃逸質(zhì)子打擊分子云腔壁的強(qiáng)子過程；TeV輻射主要來自內(nèi)發(fā)射區(qū)中電子的逆康普頓過程或質(zhì)子與可能被震激的分子團(tuán)塊的強(qiáng)子過程。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X射線的空間分布特征。第四章應(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x～0.01-0.1量級。在逃逸擴(kuò)散模型中,我們考慮了兩種逃逸注入過程：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程的逃逸質(zhì)子分布。通過MCMC方法限制模型參數(shù)并和觀測比較,我們發(fā)現(xiàn),無論何種逃逸注入過程,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為x～0.01,而在δ函數(shù)注入情形中量級為x～0.1。第五章主要以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)模型來擬合射電、X射線和伽瑪射線的能譜�；跀M合結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)隨著遺跡膨脹,電子能譜會逐漸變硬(譜指數(shù)變小)；而其它參數(shù)似乎會經(jīng)歷兩個(gè)不同的階段。在早期～1000年內(nèi),截?cái)嘈螤顓?shù)大(即截?cái)嗄芰恳陨系牧Ｗ訒杆贉p少),磁場隨年齡增加而減小明顯,這可能和早期強(qiáng)磁場下有高效的輻射損失有關(guān)；超過約1000年后,磁場變化變緩,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)逐漸變硬的趨勢則挑戰(zhàn)經(jīng)典線性加速理論。第六章是對其它超新星遺跡Fermi伽瑪射線觀測結(jié)果的理論計(jì)算,討論包括源HESS J1731-347,SN1006,RCW 103,Kes27,Kes41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)境對澄清伽瑪射線的起源機(jī)制起了非常重要的作用。最后總結(jié)本文工作并討論超新星遺跡伽瑪射線領(lǐng)域的一些熱點(diǎn)問題,以及一些后續(xù)工作。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P145.3;P172.3
，

本文編號：1271112