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（1PeV1015eV）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
　　图1超新星遗迹（SNR）G106。32。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（SNejecta），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（HICloud），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（H2Cloud）产生伽马光子辐射（）。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
　　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SNRG106。32。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3000kms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
　　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SNRG106。32。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SNRG106。32。7的X射线和伽马射线波段的能谱，证明30TeV（1TeV1012eV）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
　　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SNRG106。32。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。32。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。32。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。