恒星形成区——宇宙线加速的新场所?


1912年,奥地利物理学家维克托·赫斯(Victor F. Hess)在《物理学杂志》发表题为"在7次自由气球飞行中的贯穿辐射"的论文,报导了地球大气电离度随海拔高度的测量结果:在一定高度以后,海拔越高,电离度也越高,和当时的主流预期相反。因此,赫斯推断在高空有尚不为人知的东西从外界电离了地球大气,它可能是来自太空的穿透辐射。这一发现逐渐引起了人们研究兴趣,且后来几的组实验都证实了赫斯的结果。因为这种射线来自地球之外,到1925年,美国物理学家密立根把这种穿透辐射称为宇宙线。通过一百多年的观测研究,现在我们已经知道了宇宙线的流量、成分等诸多性质,但一个根本性谜题至今都未解决,成为了世纪难题:宇宙线的加速源是什么?


宇宙线是来自外太空高能带电粒子的统称,是研究宇宙的四大信使(电磁波、引力波、宇宙线和中微子)之一。经过几十年的精确测量,已经知道其主要成分为质子(个数比约占89%);其次是氦核(占10%),其它重核、电子等占了剩余的 1%。其能量从 109 电子伏特起,能一直延伸到 1020 电子伏特,跨越了11个数量级。在零级近似下,宇宙线的全粒子谱可以看作幂律谱,并且有两个明显的结构特征:在3PeV(1PeV=1015eV)和3EeV(1EeV=1018eV)处出现能谱拐折,分别被称为"膝"和"踝",如图1。

图1宇宙线全粒子微分能谱(横坐标为粒子能量,纵坐标为流量乘以粒子能量的2.6次方),图取自Beringer et al. [1]。


根据银河系自身磁场束缚粒子的能力以及和邻近星系的伽马射线光度的比较,人们推断低于"膝"能量的宇宙线是在银河系内产生的。也就是说,银河系内必然存在把粒子加速到 PeV 能量的天体,被称为"PeVatron"(拍电子伏特加速器)。最近国内ASgamma实验探测到的100TeV以上的弥漫伽马射线辐射[2]和LHAASO实验探测到的一批100TeV以上的伽马射线源[3]都从观测上证明了此推断。尽管如此,我们仍然不清楚究竟何种天体加速了这些高能粒子我们仍然不清楚。根据现有理论和观测,只知道一些种类的天体有这种可能,如超新星遗迹、脉冲星及其风云、银心(超大质量黑洞或球状星团)、致密双星、恒星形成区(包含超泡和年轻大质量星团)。


宇宙线是带电粒子,受到宇宙空间中磁场的偏转,它们到达地球时已经丢失了最初的方向信息。因此,不能通过测量宇宙线入射方向来寻找它们的加速源。作为宇宙线中主要成分的质子可以和普通物质碰撞(即强子作用)产生沿直线传播的伽马射线光子。如果在加速源周围存在致密气体云,加速出来的宇宙线就可能撞上气体中的原子核,产生可探测的伽马射线,我们可以据此反推出高能宇宙线的存在,追溯其起源。因此,探测这种强子作用产生的伽马射线是目前寻找强子 PeVatron 的有效途径之一。


基于现有观测证据,目前能确认为强子PeVatron的只有银河系中心[4],能认定为强子PeVatron候选体的也只有超新星遗迹G106.3+2.7 [5]。最近,南京大学天文与空间科学学院的一个高能天体物理团队发现了宇宙线加速源的新线索。该团队把目标锁定在了G35.6-0.4天区,它包含超新星遗迹G35.6-0.4和电离氢区G35.6-0.5,以及未证认的TeV(1012 eV)源HESS J1858+020,如图2所示。他们重新分析了伽马射线、中性氢和一氧化碳的观测数据,发现恒星形成区极有可能也是宇宙线的加速源。



图2:G35.6-0.4天区的射电图像。青色为VLA的1420MHz观测结果;暗红色为干涉阵GMRT的 610MHz的观测结果,大圆环结构(黄色虚线)为超新星遗迹G35.6-0.4,小圆环结构为电离氢区G35.6-0.5。青色轮廓线代表TeV源HESS J1858+020的5、6、7sigma显著性。其它详见文献[6]


他们首先分析Fermi伽马射线空间望远镜的观测数据,发现GeV(109 eV)能段伽马射线在高低能量端的辐射重心不一致,如图3(a)(b),从而把伽马射线发射区分解成了两个点源A和B。源A在空间位置上和超新星遗迹重合,源B和电离氢区、分子云以及TeV源HESS J1858+020基本重合,如图3(c)(d)。



图3:G35.6-0.4天区的Fermi检验统计分布图(颜色条为检验统计值,近似为显著性的平方), 青色轮廓线为射电610MHz。(a) 0.2-500 GeV能段;(b) 8-500 GeV能段;(c) 源A的TS分布图;(d) 源B的TS分布图,白色轮廓线代表TeV源HESS J1850+020,黑色轮廓线为一氧化碳(示踪分子云)。其它详见文献[6]。


源B的GeV能谱和HESS J1850+020的TeV能段的能谱能很好地衔接,且可以用单幂律谱描述(如图4),它们又在位置上对应同一块分子云,因此极有可能起源于相同的辐射机制。

图4:电离氢区G35.6-0.5的GeV-TeV伽马射线能谱的强子模型拟合。粒子的最大能量需要达到1PeV。详见文献[6]。


那么这些伽马射线的能源来自哪里?会是先前受到学者一致关注的、疑似毗邻的超新星遗迹G35.6-0.4吗?他们分析出的中性氢星际吸收特征意外地打消了这一可能性。中性氢吸收特征表明超新星遗迹和电离氢区并不相邻:该超新星遗迹的距离为10.5kpc,远远超出了电离氢区3.4 kpc的距离。该超新星遗迹作为源A有独立的伽马射线辐射。


所以源B与该超新星遗迹无关,只能来自电离氢区(或者说对应的恒星形成区)的自身。理论计算表明,源B和HESS J1850+020相衔接的GeV-TeV能谱,最自然合理的解释,是电离氢区内加速的高能质子打击分子云产生的强子作用伽马射线辐射。通过拟合数据可以得出,质子的最大能量需要达到PeV量级。这说明在电离氢区G35.6-0.5内藏匿了一个PeV加速器!这也为在恒星形成区中探寻PeV加速器拓广了视野。这一发现將期待由我国建造在四川稻城的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)进行观测验证。


这项研究的报告以"GeV Gamma-ray Emission and Molecular Clouds towards Supernova Remnant G35.6-0.4 and the TeV Source HESS J1858+020"为题,近期被美国《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)接收,见arXiv预印本[6],通讯作者为张潇博士和陈阳教授。该工作得到了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金委员会的支持。


[1] Beringer J., Arguin J.-F., Barnett R.~M., Copic K., Dahl O., Groom D.~E., Lin C.-J., et al., 2012, PhRvD, 86, 010001. doi:10.1103/PhysRevD.86.010001

[2] Amenomori, M., Bao, Y. W., Bi, X. J., et al. 2021, PhRvL, 126, 141101, doi: 10.1103/PhysRevLett.126.141101

[3] Cao, Z., Aharonian, F. A., An, Q., et al. 2021, Nature, 594, 33, doi: 10.1038/s41586-021-03498-z

[4] H.E.S.S. Collaboration, 2016, Nature, 531, 476, doi: 10.1038/nature17147

[5] Amenomori, M., Bao, Y. W., Bi, X. J., et al.2021, Nature Astronomy, 5, 460

[6] Zhang, X.,Chen, Y., Zhen, F. X., et al. 2022, arXiv:2204. 12053