利用多信使方法研究银河系弥散伽马辐射起源

银河系伽马射线辐射通常被认为主要产生于宇宙线与星际介质之间的强子反应过程,然而,多个仪器测得的伽马射线辐射流量水平都高于强子模型的理论预期。近日,南京大学天文与空间科学学院的柳若愚研究团队基于LHAASO和IceCube的最新观测结果,综合分析了伽马射线和中微子的多信使数据,提出银河系内的脉冲星晕可能在银河系的弥散伽马辐射中起到重要贡献。该项研究成果的论文于2024年3月13日发表在国际著名学术期刊《自然·天文》。南京大学天文与空间科学学院的柳若愚研究员为论文的通讯作者,博士研究生颜开为第一作者,王祥玉教授、硕士研究生李朝明、中国科学院紫金山天文台的袁强研究员和张瑞博士为论文作出重要贡献。

银河系伽马射线辐射是指扣除所有已知天体源之后在银盘上剩余的辐射,通常认为它主要起源于宇宙线粒子与星际介质之间的质子-质子碰撞过程,这一过程会同时产生伽马射线和中微子。我国的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)在超高能伽马射线的观测上具有大视场与高灵敏度的优势。LHAASO对银河系弥散伽马辐射的精确测量显示其的流量比宇宙线强子辐射模型的预测值高2-3倍。测量值与模型预测值之间的偏差暗示着可能存在一些未知的源提供了额外的成分。同时,国际上的中微子探测器IceCube也发布了对银河系中微子的测量。柳若愚研究团队对LHAASO和IceCube数据的联合分析表明,银河系伽马射线辐射中有相当一部分由轻子过程产生,这些过程不产生中微子只产生伽马射线。

图1.银盘上脉冲星晕辐射分布的模拟。区域为银经15-235度,银纬-5-5度,与LHAASO的探测范围相同。

研究团队通过进一步的数值模拟计算,发现银河系中的脉冲星晕群可能对伽马射线辐射有显著贡献。模拟的脉冲星晕辐射能够很好地解释目前中微子数据和伽马射线数据之间的差异。脉冲星晕产生于从脉冲星风云逃逸的电子与星际辐射场之间的逆康普顿散射。脉冲星晕的辐射十分延展,对于仪器来说难以探测到,没有被解析出来的脉冲星晕便会被当作弥散辐射。目前观测到的脉冲星晕仅有三例,然而据估计,银河系内可能存在有大约七千个脉冲星晕。因此,我们处在脉冲星晕的海洋之中,大大小小的脉冲星晕产生的辐射叠加在一起犹如在我们眼前蒙上了一层迷雾,成为观测上的背景,并使我们在观测天体源的伽马射线辐射时候受到干扰。研究清楚这些背景辐射对于未来提升仪器对源的探测能力非常关键。同时,也对理解银河系宇宙线的起源具有重要作用。

图2.脉冲星晕辐射对银河系弥散伽马射线能谱的解释。蓝色虚线为宇宙线强子辐射模型的预期能谱,绿色虚点线位脉冲星晕产生的能谱。红色数据点为Fermi-LAT的测量,蓝色数据点为LHAASO的测量结果。左图为内银盘方向的结果,右图为外银盘方向的结果。

银河系脉冲星晕艺术想象图

论文链接https://rdcu.be/dA4s7

Doi:10.1038/s41550-024-02221-y