天文學(xué)家首次成功地量化了超新星遺跡中宇宙射線的質(zhì)子和電子成分。根據(jù)對無線電、X射線和伽馬射線輻射的新型成像分析，宇宙射線發(fā)射的極高能量伽馬射線中至少有 70% 是由質(zhì)子引起的。質(zhì)子是宇宙射線的主要成分，其加速部位百年來一直是現(xiàn)代天體物理學(xué)中的一個巨大謎團(tuán)，這是首次定量顯示超新星遺跡中正在產(chǎn)生的宇宙射線的數(shù)量，是闡明宇宙射線起源的一個劃時代的步驟。

　　宇宙射線是宇宙中能量最高的粒子，自 1912 年發(fā)現(xiàn)以來，它的起源一直是一個謎團(tuán)。由于宇宙射線促進(jìn)了星際物質(zhì)的化學(xué)演變，了解它們的起源對于理解我們銀河系的演變至關(guān)重要。宇宙射線被認(rèn)為是由我們銀河系中的超新星遺跡加速的，并幾乎以光速到達(dá)地球。

　　伽馬射線觀測的最新進(jìn)展表明，許多超新星遺跡發(fā)出的伽馬射線具有太電子伏(TeV)的能量。如果伽馬射線是由質(zhì)子產(chǎn)生的，而質(zhì)子是宇宙射線的主要組成部分，那么宇宙射線的超新星遺跡起源就可以得到驗證。然而，伽馬射線也是由電子產(chǎn)生的，因此有必要確定質(zhì)子或電子的來源是最主要的，并測量這兩種貢獻(xiàn)的比例(另見圖1)。

　　這項研究的結(jié)果提供了令人信服的證據(jù)，證明伽馬射線來源于質(zhì)子成分，而質(zhì)子是宇宙射線的主要成分，并澄清了銀河系宇宙射線是由超新星遺跡產(chǎn)生的。

　　這項研究的原創(chuàng)性在于，伽馬射線輻射是由質(zhì)子和電子成分的線性組合來表示的。天文學(xué)家知道一個關(guān)系，即質(zhì)子的伽馬射線強(qiáng)度與通過無線電線成像觀測得到的星際氣體密度成正比。另一方面，來自電子的伽馬射線也被認(rèn)為與來自電子的X射線強(qiáng)度成正比。因此，他們把總的伽馬射線強(qiáng)度表示為兩個伽馬射線成分的總和，一個來自質(zhì)子源，另一個來自電子源。這導(dǎo)致了對三個獨立觀測點的統(tǒng)一理解(圖2)。

　　這種方法是在本研究中首次提出的。結(jié)果表明，來自質(zhì)子和電子的伽馬射線分別占總伽馬射線的 70% 和 30%。這是第一次對這兩種來源進(jìn)行量化。研究結(jié)果還表明，來自質(zhì)子的伽馬射線在星際氣體豐富的區(qū)域占主導(dǎo)地位，而來自電子的伽馬射線在氣體貧乏的區(qū)域則得到加強(qiáng)。這證實了這兩種機(jī)制是共同作用的，并支持以前理論研究的預(yù)測。

　　名古屋大學(xué)的名譽教授 Yasuo Fukui 說：“如果沒有國際合作，這種全新的方法是不可能完成的。”他領(lǐng)導(dǎo)了這個項目，自 2003 年以來，他利用 NANTEN 射電望遠(yuǎn)鏡和澳大利亞望遠(yuǎn)鏡緊湊型陣列精確地量化了星際氣體密度分布。

　　盡管當(dāng)時伽馬射線的分辨率不足以進(jìn)行全面的分析，但阿德萊德大學(xué)的 Gavin Rowell 教授和 Sabrina Einecke 博士以及H.E.S.S.團(tuán)隊多年來極大地提高了伽馬射線的空間分辨率和靈敏度，使其有可能與星際氣體進(jìn)行精確比較。日本國家天文臺的 Hidetoshi Sano 博士領(lǐng)導(dǎo)了對歐洲X射線衛(wèi)星 XMM-牛頓的存檔數(shù)據(jù)集的X射線成像分析。Einecke 博士和 Rowell 教授與 Fukui 教授和 Sano 博士密切合作，進(jìn)行了詳細(xì)的研究，考察了伽馬射線、X射線和無線電發(fā)射之間的相關(guān)性。

　　“這種全新的方法將被應(yīng)用于更多的超新星遺跡，除了現(xiàn)有的觀測站之外，使用下一代伽馬射線望遠(yuǎn)鏡 CTA(切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列)，這將大大推進(jìn)宇宙射線起源的研究。”
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