伽玛射线超新星遗迹研究新进展

对宇宙线起源问题的探讨,正随着新一代地基和空间伽玛射线望远镜观测的开展而深化.作为普遍认为的能量在"膝"部以下宇宙线粒子主要加速场所的超新星遗迹,在Ge V–Te V能段探测到的样本在不断扩大,一些具有指示性意义的在流量、能谱方面的统计特征也得到显现.为证实作为宇宙线主体的相对论性质子能够由超新星遗迹的激波加速产生,对超新星遗迹的伽玛射线辐射的观测和理论研究,特别对于与分子云作用的超新星遗迹的强子作用伽玛射线辐射的研究,已取得较大的进展,其中W44,IC 443等遗迹在70 Me V附近?0介子衰变的特征性鼓包特别引人瞩目.对强子作用的辐射机制目前已可分为质子就地直接打击和逃逸扩散"照亮"分子云两大类.但对大样本超新星遗迹的伽玛射线辐射更系统的研究,包括对超新星遗迹的伽玛射线及多波段辐射谱进行合理模型计算、澄清这些遗迹所在星际环境中分子气体的分布情况,甚至基本地判明一些遗迹伽玛射线辐射轻强子作用属性等,都还有大量工作要做.本文将概述近年在以上相关各方面研究的进展情况.     

超新星遗迹与分子云作用的多波段研究

超新星遗迹与分子云的物理作用,与当前超新星遗迹领域一些热门问题如热混合型X射线形态、高温气体的过电离现象、遗迹伽玛射线的强子辐射等等密切相关,特别是它已成为检视超新星遗迹加速宇宙线的上佳探针.这篇综述介绍了上述问题的相关研究和最新进展,其中重点介绍了我们的有关工作,如遗迹与分子云作用判据的归纳、分子谱线观测分析、反弹激波机制的引入、对过电离现象的率先解释、强子伽玛射线辐射＂逃逸质子的累积性扩散模型＂的建立等.     

高能伽玛射线观测研究进展和展望

高能伽玛射线辐射位居宇宙电磁辐射频带的高端,联系宇宙天体巨大能量释放和相对论性粒子加速及其非热辐射过程,是探索极端条件下物理过程的重要天文窗口,也是研究"世纪之谜"——宇宙线起源问题的重要手段.随着新一代探测器的稳定运行,天基和地基伽玛射线探测均取得了丰硕成果.在100 Me V能段,2008年上天的Fermi卫星已将伽玛射线源由三百增加到三千多个.在100 Ge V能段,地面切伦科夫望远镜HESS,MAGIC,VERITAS和地面EAS阵列Tibet ASγ,Milagro,ARGO-YBJ,自2003年以来已将伽玛射线源由十多个提升到一百六十个,同时,下一代探测器CTA和LHAASO也在稳步推进中,未来将把地基探测能力提升一个量级以上.本文主要介绍各家实验概况及其取得的重要观测进展,然后分类概括各种类伽玛射线源(脉冲星及其风云、超新星遗迹、伽玛射线双星、活动星系核、伽玛射线暴及其他伽玛射线源)的观测研究现状,并对未来CTA和LHAASO实验进行展望.     

脉冲星风云G21.5-0.9的多波段非热辐射

运用含时演化理论模型研究脉冲星风云G21.5-0.9的多波段非热辐射.在这个模型中,考虑2种不同成分的注入电子,低能成分电子和高能成分电子.其中低能成分电子形式为具有幂律谱,而高能成分电子形式为Maxwellian加上一个高能幂律谱.通过理论计算,发现该模型能很好地解释脉冲星风云G21.5-0.9的多波段观测数据,射电到X射线段的辐射主要通过电子同步辐射产生,而伽玛射线主要通过逆康普顿散射产生.     

宇宙中高能带电粒子的加速

宇宙中高能粒子的起源问题是高能太阳和天体物理的核心问题之一.在剧烈变化的天体物理环境下,背景等离子体中的带电粒子可以被其中的电场加速到很高的能量.根据背景电场和带电粒子相互作用的特征,带电粒子的加速机制可以分为:等离子波和粒子共振相互作用、沿磁力线方向的平行电场加速和磁场不均匀性有关的磁场曲率与梯度加速等.根据粒子加速过程对应的宏观能量释放机制,人们发展了随机粒子加速理论、扩散激波粒子加速理论以及磁重联粒子加速理论等.这些理论都有其各自的假设和特征,在不同的天体物理环境有其相应的应用.与高能天体物理观测的不断进步相结合,通过对高能粒子辐射特征和加速过程的分析,人们可以更好地认识剧烈变化天体物理环境下发生的各种物理过程.     

LHAASO与宇宙线起源

宇宙线的能谱延展到超过10¹⁵电子伏特(PeV)的能段,这表明银河系中存在超高能的宇宙线加速源.而近期的甚高能伽马射线观测表明,长期以来被认为是主要宇宙线加速源的超新星遗迹很难把宇宙线加速到超高能.因此,寻找超高能(PeV)宇宙线加速源是宇宙线起源研究中的核心问题.其中一个最直接的方法就是寻找加速源附近宇宙线与星际气体相互作用产生的超高能伽马射线辐射.我国的高海拔宇宙线观测站(LHAASO),由于其在超高能伽马射线能段世界领先的灵敏度,成为这一研究的理想工具.LHAASO半阵列建成后一年之内,已经在银盘上观测到了十二个超高能伽马射线源,在这一领域取得了突破性的进展.本文将介绍这些已得到的观测结果,并对LHAASO全阵列建成后可能的新进展进行展望.     

超新星遗迹与绿色延展天体的相互关系

超新星遗迹是超新星爆发后的残留物,包含爆发喷射物以及周围与其相互作用的物质;绿色延展天体是大质量恒星形成区候选体.这两类天体都与大质量恒星的形成与死亡有密切关系.本文尝试探究超新星遗迹与绿色延展天体的相互关系,以期对超新星是否促进大质量恒星形成这一问题有进一步了解.本研究通过计算得到14组超新星遗迹和绿色延展天体的相对距离,发现最小的也在百秒差距量级.通过分析274个超新星遗迹与298个绿色延展天体的空间分布,发现相对于其他区域,超新星遗迹附近的绿色延展天体明显多一些,但可能是因为超新星遗迹附近分子云密度大造成.斯必泽红外空间望远镜的巡天范围在银纬b=±1°内,在此范围以外的超新星遗迹附近的绿色延展天体是使用美国宇航局广角红外巡天探测器(WISE)巡天数据搜寻的,找到了4个绿色延展天体.得到的初步结论是超新星遗迹并不能直接促使绿色延展天体形成,但它们之间或许有间接联系.     

绚丽的超新星遗迹

<正>宇宙中的天体,生与死总是相依相伴。比如,中小质量恒星的死,伴随着白矮星和行星状星云的生;大质量恒星的死,伴随着中子星、黑洞和超新星遗迹的生。超新星遗迹,是大质量恒星死亡前发生灾难性的爆炸后,原来恒星包层中的物质被抛射到星际空间而形成的,而爆发后在中心留下来的核心就成了中子星或黑洞。超新星遗迹的诞生超新星遗迹的诞生,伴随着星体的剧烈爆发。这种爆发主要有两大类,一类是核燃烧导致的超新星爆发,另一类是常说的引力坍缩型超新星爆发。     

超新星遗迹的统计研究

本文讨论了银河系超新星遗迹的距离问题,它是超新星遗迹的基本参量但很不确定.目前对超新星遗迹统计出的亮度与线直径的关系Σ-D关系在第三部分中作了比较,附录中给出155颗超新星遗迹的星表,特别列出了作为求Σ-D关系用的定标距离d(kpc).     

带电磁荷直线加速动态黑洞的非热效应

利用弯曲时空中标量粒子运动的Hamilton-Jacobin方程,研究带有电荷和磁荷的直线加速动态黑洞周围时空中标量粒子的能量分布,得到了黑洞发生非热辐射的能量条件.此条件不仅依赖于黑洞的质量、电荷、磁荷和加速度,还与黑洞视界的变化有关,与黑洞视界附近的四维电磁势有关.在黑洞视界附近,能量处于μ＜ω＜ω0的负能粒子,将由于量子隧道效应而穿过禁区,产生一种与温度无关的非热辐射.     

年轻脉冲星的X-射线非热辐射

年轻的转动驱动脉冲星有较高的自转能损率(Lsd≥1036erg.s-1),而且都有非常高的非热X-射线辐射,利用新的外间隙模型,计算年轻脉冲星的非热X-射线光度,并与观测到的17颗年轻脉冲星的非热X-射线光度能量范围为2~10 keV的观测结果进行比较,模型的计算结果和观测数据吻合较好.     

A gamma-ray burst with a high-energy spectral component inconsistent with the synchrotron shock model

Gamma-ray bursts are among the most powerful events in nature. These events release most of their energy as photons with energies in the range from 30 keV to a few MeV, with a smaller fraction of the energy radiated in radio, optical, and soft X-ray afterglows. The data are in general agreement with a relativistic shock model, where the prompt and afterglow emissions correspond to synchrotron radiation from shock-accelerated electrons. Here we report an observation of a high-energy (multi-MeV) spectral component in the burst of 17 October 1994 that is distinct from the previously observed lower-energy gamma-ray component. The flux of the high-energy component decays more slowly and its fluence is greater than the lower-energy component; it is described by a power law of differential photon number index approximately -1 up to about 200 MeV. This observation is difficult to explain with the standard synchrotron shock model, suggesting the presence of new phenomena such as a different non-thermal electron process, or the interaction of relativistic protons with photons at the source.     

Vaidya—Bonner时空中荷电粒子的非热效应

研究Ｖａｉｄｙａ－Ｂｏｎｎｅｒ时空中荷电粒子的非热效应，并给出带电蒸发黑洞的社界和非热辐射频率范围。     

Vaidya－Bonner时空带电蒸发黑洞的量子效应

研究了Ｖａｉｄｙａ－Ｂｏｎｎｅｒ时空中带电蒸发黑桐的量子热效应和量子非热效应，利用动量算子简捷地得到了黑洞的视界面位置和视界处的温度以及Ｈａｗｋｉｎｇ热谱，证明了这类黑洞的视界是球对称的，热辐射的同时也存在非热辐射．     

Hawking辐射真是热谱吗?

利用Damour-Ruffini方法研究了Schwarzschild黑洞的Hawking辐射,在考虑辐射能量对背景时空反作用的情况下,发现辐射谱不再是理想的热谱.得到的修正后的Hawking辐射谱,有可能从黑洞中带出信息,进而用来解释黑洞信息丢失佯缪问题,同时满足量子理论的幺正性.这里的讨论不仅适合于无静止质量的粒子,而且适合于有静止质量的粒子;不仅适合于标量粒子,而且适合于Dirac粒子;具有广泛的适用性.     

Reissner-Nordstrm de Sitter黑洞的量子非热辐射

在Reissner-Nordstrōm de Sitter时空中,通过Hamilton-Jacobi方程,并用数学知识进行分离变量,研究此黑洞的量子非热辐射特征,结果表明,在此黑洞附近只要存在电势,就会有正负能级交错,从而产生了与温度无关的量子非热辐射。     

老年X-射线脉冲星的辐射特性

利用新的外间隙模型,研究计算了老年脉冲星的非热X-射线光度,并与Chandra观测到的七颗老年脉冲星的非热X-射线光度的观测结果进行了比较,模型的计算结果和观测数据吻合较好,同时计算了老年脉冲星可能的伽玛射线光度和流量。     

An extreme distortion of the Van Allen belt arising from the 'Hallowe'en' solar storm in 2003

The Earth's radiation belts--also known as the Van Allen belts--contain high-energy electrons trapped on magnetic field lines. The centre of the outer belt is usually 20,000-25,000 km from Earth. The region between the belts is normally devoid of particles, and is accordingly favoured as a location for spacecraft operation because of the benign environment. Here we report that the outer Van Allen belt was compressed dramatically by a solar storm known as the 'Hallowe'en storm' of 2003. From 1 to 10 November, the outer belt had its centre only approximately 10,000 km from Earth's equatorial surface, and the plasmasphere was similarly displaced inwards. The region between the belts became the location of high particle radiation intensity. This remarkable deformation of the entire magnetosphere implies surprisingly powerful acceleration and loss processes deep within the magnetosphere.     

High-energy particle acceleration in the shell of a supernova remnant

A significant fraction of the energy density of the interstellar medium is in the form of high-energy charged particles (cosmic rays). The origin of these particles remains uncertain. Although it is generally accepted that the only sources capable of supplying the energy required to accelerate the bulk of Galactic cosmic rays are supernova explosions, and even though the mechanism of particle acceleration in expanding supernova remnant (SNR) shocks is thought to be well understood theoretically, unequivocal evidence for the production of high-energy particles in supernova shells has proven remarkably hard to find. Here we report on observations of the SNR RX J1713.7 - 3946 (G347.3 - 0.5), which was discovered by ROSAT in the X-ray spectrum and later claimed as a source of high-energy gamma-rays of TeV energies (1 TeV = 10(12) eV). We present a TeV gamma-ray image of the SNR: the spatially resolved remnant has a shell morphology similar to that seen in X-rays, which demonstrates that very-high-energy particles are accelerated there. The energy spectrum indicates efficient acceleration of charged particles to energies beyond 100 TeV, consistent with current ideas of particle acceleration in young SNR shocks.     

一般加速带电带磁动态黑洞的非热辐射

在一般加速带电带磁的动态黑洞中,化简Klein-Gordon场方程,利用乌龟(Tortoise )坐标变换,得到在视界面附近的Hawking热谱和Hawking温度. 同时研究黑洞的非热辐射,计算出了荷电荷磁粒子的正负能级表达式和交错能级最大值.