高能宇宙射線來源，更加確定為超新星殘骸
大約 100 年前，天文學家開始意識到有些輻射不是來自銀河系內，並最終帶來了高能宇宙射線、高能質子、從原子核中剝離並被加速至相對論速度的電子等新發現。隨著觀測技術進步，科學家開始推測高能宇宙射線可能來自超新星殘骸，現在一篇新研究首次量化了超新星殘骸產生宇宙射線的數量，朝著準確定位宇宙射線來源邁出重要一步。
雖然科學家們推測宇宙射線有多種來源──包括我們自己的太陽、超新星、伽馬射線暴（GRB）、活躍星系核等，但確切起源自 1912 年首次被發現以來一直是個謎。大多數宇宙射線由約 89% 質子、10% 氦原子核（即 α 粒子）與 1% 重元素構成，有些能量可以超過10^20 eV，遠超地球最強大人造粒子加速器「大型強子對撞機（LHC）」粉碎質子的能量千萬倍。
無論是標準的超新星、脈衝星還是黑洞，都不太能將粒子加速到擁有如此巨大的能量，因此天文學家對其來源和機制始終相當困惑，但當宇宙射線穿越我們的銀河系時，會與星際介質相互作用衍生（二次）宇宙線，因此，了解它們的起源對於了解銀河系如何演化至關重要。
過去，科學家推測過宇宙射線多種來源，其中最有把握者為超新星殘骸（supernova remnant，SNR），因為宇宙射線在行進過程中會與星際介質相互作用，進一步產生非常高能的伽馬射線，如果伽馬射線是由宇宙射線的關鍵成分質子產生，那麼宇宙射線的超新星殘骸起源就更可以得到證實。
超新星殘骸是超新星爆發拋出的物質在向外膨脹過程中，與星際介質相互作用而形成的延展天體，根據形態可分成殼層型（中央沒有緻密天體的輻射源）、實心型（沒有殼層結構，中央具有緻密天體提供能量）、複合型（既具有提供能量的中央緻密天體，也有殼層結構）等。
然而高能伽馬射線也可由電子與星際介質中的光子相互作用而形成，此前研究曾表明，由宇宙射線質子與星際介質中質子碰撞所引起的高能伽馬射線，強度與星際氣體密度成正比；由電子與星際介質光子相互作用引起之伽馬射線，則預計與非熱 X 射線強度成正比。
▲ 宇宙射線質子和電子產生伽馬射線示意圖。（Source：名古屋大學）
來自日本名古屋大學、日本國家天文台與澳洲阿得雷德大學的科學家們，便利用高能立體視野望遠鏡（High Energy Stereoscopic System，HESS）、XMM-牛頓衛星（XMM-Newton）的數據分析超新星殘骸 RX J1713.7?3946（RX J1713），首次確定宇宙射線釋放的超高能伽馬射線中，至少有 70% 是由相對論質子引起。
此外，研究結果還表明來自質子的伽馬射線在星際氣體聚集區域更常見，來自電子的伽馬射線責更常見於氣體缺乏區域。
這是研究人員首次對超新星殘骸產生的宇宙射線數量進行量化，也是解釋宇宙射線起源的一個里程碑。新論文發表在《天文物理期刊》（The Astrophysical Journal）。
（首圖來源：pixabay）