宇宙加速器

编译 杜宗潆

1.3

弥漫于整个银河的宇宙射线可归因于多种来源。而来自超新星残余的高能γ射线的发现终于为一种理论提供了具体的证据。

宇宙射线是高能粒子（主要是质子），它们从太空的四面八方抵达地球。1912年，维克托 · 海斯（Victor Hess）首次检测到了宇宙射线。遗憾的是，尽管在以往几十年中提供了许多重要的实验数据和大量的理论根据，但在宇宙射线由何处产生、它们如何加速到如此高的能量的问题上仍然没有形成共识。最近，埃诺莫托（Enomoto）等报告他们已从超新星残余RXJ1713.7-3946中发现了高能γ射线。这一看似平常的宣布其实有着极其重要的意义。若情况属实，而RXJ1713.7-3946又在超新星残余中具有典型的代表性——壳状超新星残余，那么这就意味着银河中宇宙射线的产生只能与超新星的后果，即标志星球死亡的灾难性爆炸联系在一起。

宇宙射线的加速，堆积集和有效混合，通过它们在银河磁场中的弥漫和传递，形成了一个高能粒子的海洋，充斥于整个银河系。这个海洋所造成的相应的压力惊人地接近于银河磁场的压力和星际气体的压力。这意味着银河的宇宙射线在银河系的动平衡中起到重要作用，并通过使星际气体加热和离子化来影响星际物质的化学特性。

但是，宇宙射线究竟来自何方？它们是如何加速的？1933年，沃尔特 · 巴特（Walter Baade）和弗利兹 · 兹维基（Fritz Zwicky）曾提出在宇宙射线和超新星之间应有联系。其主要理由是，维持银河的宇宙射线所需要的能量至少约占银河系中超新星大爆炸释放能量的百分之几。这个理由是重要的，但不是充分的，因为尚有一些其他潜在来源，比如脉冲星或具有高能机械风的新星，它们也可以满足上述所需的能量。

第二个理由是：超新星残余取决于由星球坍缩后发出的冲击波。按照扩散-冲击加速机理，这种冲击波可将超新星爆炸时产生的10~30%的机械能（约1051尔格，1尔格=10-7焦耳）转变成周围星际气体中的质子、电子和原子核。这个机理能够解释已在地球周围测量到的宇宙射线的能量分布。

但是，上述两点理由目前仍停留在理论上，尚没有直接的证据加以证明。如果质子是被超新星残余冲击波所加速的，它们应能与周围的星际气体相互作用以产生短寿命的π°介子，在十分高的TeV（1TeV=1012电子电压）能量下，π°介子又会转而衰变成γ射线。据称，这种γ射线属于一种强子，位于质子和π°介子所属的强子粒子族的后面。假若我们能从超新星残余中检测到具有TeV能量的γ射线，这将是第一个实验证据——证明宇宙射线是在冲击波中产生并得到加速的。

事实上，人们已经从两个有名的壳状超新星残余包括仙后座A中检测到了有TeV能量的γ射线。但是对这种星体而言，也有可能是超高能量的电子产生了γ射线的，这个过程叫做反康普顿散射：郎冲击波加速的电子能够从宇宙微波背景（大爆炸辐射残余）中散射出光子，将它们激发成为高能γ射线。电子属于轻子族，因而可以认为r射线来源于轻子。

然而，人们没能从其他超新星残余（如γ天鹅座或IC433）中检测到有TeV发射，在那儿质子据信要比电子占优势，许多学者因此认为这是银河宇宙线来自超新星残余的理论的失败。但该结论尚不成熟，因为目前所使用的检测仪器在精度上受到限制，在设想模式中的某些关键参数尚存在许多不确定性。

埃诺莫托等学者终于为银河中的宇宙射线确实来自超新星残余的理论提供了强有力的证据。他们已从超新星残余RXJ1713.7-3946中检测到带有TeV能量的γ射线，同时表明γ射线的能量光谱与人们的预想相当，假若γ射线如其来源于强子的话；但该光谱与来源于轻子的r射线预期光谱相不一致。人们看到的光谱不可能是从反康普顿散射中产生的——那需要在超新星残余周围有一个极低的磁场（仅几微高斯），但情况似乎并非如此。当人们也将早期的χ射线数据加以考虑时，情况似乎只能是γ射线是由于超新星残余加速了质子而产生的。

1.3.2

图为探测到的宇宙射线

埃诺莫托等人在报告中提到的TeVy射线通量意味着必需在十分稠密的区域才能产生γ射线——否则，被加速的质子就必须具有要比人们预期的大得多的能量，大于109尔格，假设大爆炸中有约10%的能量被转变成宇宙射线的能量的话。附近巨大的分子云——比太阳质量大10倍以上——与超新星残余的相互作用方能产生如此高密度的环境。

值得注意的是，安装在康普顿γ射线天文台上的ECRET仪器已在云层附近检测到一个低能γ射线源（3EGJ1714-3857）。这暗示ECRET源确实存在于分子云层中，而低能γ射线是通过被加速的质子与稠密云层的相互作用而产生的。CANCAROO-3的数据确实似乎表明TeV射线来自分子云和ECRET源，但是要想精确确定TeV源的位置，这些数据在质量上还是远远不够的。

用欧洲的HESS和MAGIC、日本与澳大利亚的CANGAR0O-3，以及美国的VERITAS等最先进的天文望远镜进行的观测，应能揭示更多的有关能源光谱以及从100 GeV到10 TeV的大能量范围内超新星残余中γ射线产生的方位的详情。这些天文望远镜，通过提供有关某些残余中高能粒子的加速和传播特性的独家信息，将为人类追踪银河宇宙射线的来源作出决定性的贡献。

[Nature，2002年4月25日]