科学家破解天体物理学百年之谜：银河系的宇宙射线从何而来

导读：天文学家首次成功地量化了超新星遗迹中宇宙射线的质子和电子成分。

天文学家首次成功地量化了超新星遗迹中宇宙射线的质子和电子成分。根据对无线电、X射线和伽马射线辐射的新型成像分析，宇宙射线发射的极高能量伽马射线中至少有70%是由质子引起的。质子是宇宙射线的主要成分，其加速部位百年来一直是现代天体物理学中的一个巨大谜团，这是首次定量显示超新星遗迹中正在产生的宇宙射线的数量，是阐明宇宙射线起源的一个划时代的步骤。

宇宙射线是宇宙中能量最高的粒子，自1912年发现以来，它的起源一直是一个谜团。由于宇宙射线促进了星际物质的化学演变，了解它们的起源对于理解我们银河系的演变至关重要。宇宙射线被认为是由我们银河系中的超新星遗迹加速的，并几乎以光速到达地球。

伽马射线观测的最新进展表明，许多超新星遗迹发出的伽马射线具有太电子伏（TeV）的能量。如果伽马射线是由质子产生的，而质子是宇宙射线的主要组成部分，那么宇宙射线的超新星遗迹起源就可以得到验证。然而，伽马射线也是由电子产生的，因此有必要确定质子或电子的来源是最主要的，并测量这两种贡献的比例（另见图1）。

这项研究的结果提供了令人信服的证据，证明伽马射线来源于质子成分，而质子是宇宙射线的主要成分，并澄清了银河系宇宙射线是由超新星遗迹产生的。

这项研究的原创性在于，伽马射线辐射是由质子和电子成分的线性组合来表示的。天文学家知道一个关系，即质子的伽马射线强度与通过无线电线成像观测得到的星际气体密度成正比。另一方面，来自电子的伽马射线也被认为与来自电子的X射线强度成正比。因此，他们把总的伽马射线强度表示为两个伽马射线成分的总和，一个来自质子源，另一个来自电子源。这导致了对三个独立观测点的统一理解（图2）。

这种方法是在本研究中首次提出的。结果表明，来自质子和电子的伽马射线分别占总伽马射线的70%和30%。这是第一次对这两种来源进行量化。研究结果还表明，来自质子的伽马射线在星际气体丰富的区域占主导地位，而来自电子的伽马射线在气体贫乏的区域则得到加强。这证实了这两种机制是共同作用的，并支持以前理论研究的预测。

名古屋大学的名誉教授Yasuo Fukui 说：“如果没有国际合作，这种全新的方法是不可能完成的。”他领导了这个项目，自2003年以来，他利用NANTEN射电望远镜和澳大利亚望远镜紧凑型阵列精确地量化了星际气体密度分布。

尽管当时伽马射线的分辨率不足以进行全面的分析，但阿德莱德大学的Gavin Rowell教授和Sabrina Einecke博士以及H.E.S.S.团队多年来极大地提高了伽马射线的空间分辨率和灵敏度，使其有可能与星际气体进行精确比较。日本国家天文台的Hidetoshi Sano博士领导了对欧洲X射线卫星XMM-牛顿的存档数据集的X射线成像分析。Einecke博士和Rowell教授与Fukui教授和Sano博士密切合作，进行了详细的研究，考察了伽马射线、X射线和无线电发射之间的相关性。

“这种全新的方法将被应用于更多的超新星遗迹，除了现有的观测站之外，使用下一代伽马射线望远镜CTA（切伦科夫望远镜阵列），这将大大推进宇宙射线起源的研究。”