分子云环境中若干超新星遗迹的伽玛射线观测研究

论文摘要

自1912年宇宙线被发现以来,这些高能粒子的起源一直是天体物理研究领域中一个极具争议的课题,而它们与星际介质作用发出的伽玛射线辐射则是解开这个谜团的一把关键钥匙。由于蕴藏了超新星爆发时所释放的巨大动能,超新星遗迹被广泛认为是银河系内宇宙线的主要加速源。旨在更好地理解超新星遗迹与银河系内宇宙线之间的联系,探索河内高能带电粒子的加速和传播过程,我们选取了若干处于分子云环境中的超新星遗迹,以Fermi大视场望远镜（简称Fermi-LAT）的观测数据为基础,综合多波段的观测结果,对它们进行了全面细致的分析研究。第一章概述了超新星遗迹与银河系内宇宙线的起源问题,伽玛射线的主要产生机制、观测原理和主要观测设备,以及Fermi-LAT的结构性能和相应的数据分析方法。第二章我们对热混合型超新星遗迹Kes41所在天区的伽玛射线辐射的进行了观测分析。我们在遗迹西北部,即与Kes41作用的分子云所在的方位,发现一个在0.2-300GeV能段的显著性约为24σ的明亮伽玛射线点源。我们用Kes41加速的质子逃逸后与打击分子云发出的强子辐射模型解释了该源的空间位置和能谱分布。我们未探测到它的长期时变和脉冲信号,且由纯轻子模型拟合能谱所需的电子能量预算又过大,因此该源与脉冲星成协的可能性不大。随后,我们对银河系内热混合型超新星遗迹进行了系统调研,发现来自热混合型遗迹的伽玛射线辐射普遍具有强子辐射特征,而且这些遗迹大多与分子云有相互作用。第三章我们对含有磁陀星（magnetar）①1E 1841-045的年轻壳层型超新星遗迹Kes73进行了 GeV能段的伽玛射线和CO分子谱线观测分析研究。我们在遗迹的西边界探测到一个延展的伽玛射线源,其在0.1-300GeV能段的显著性为21.6σ。通过CO观测数据分析,我们发现了本地标准静止系速度～90kms-1的分子云与Kes73作用的有力证据—12CO（J=2-1）与12CO（J=1-0）的线比明显增强（>1）且有与遗迹边界对应的弧形结构,并由此得到Kes73的运动学距离为～9 kpc。若仅考虑纯轻子辐射或来自磁陀星的辐射无法还原该源的伽玛射线能谱,必须引入强子辐射成分,而与遗迹作用的分子云可以为高能质子提供足量的轰击靶标。此外,我们发现1E 1841-045可能对（?）30 GeV的低能段辐射有贡献,并首次由观测数据拟合给出了可能来自磁陀星的伽玛射线能谱。第四章介绍了我们对位于恒星形成区W30的超新星遗迹G8.7-0.1的伽玛射线观测研究。经过分能段空间分布分析和能谱分析,我们揭示了自W30区域的弥散伽玛射线辐射所呈现出的与能量相关的分布特点是缘自两个延展伽玛射线源在视线方向上的交叉重叠,而且它们有着独立的起源机制。其中一个源在视线方向上与G8.7-0.1重叠,其伽玛射线能谱较软,与其它正与分子云作用的中年超新星遗迹的能谱具有相似的特征,我们认为它起源于遗迹G8.7-0.1加速的高能质子与分子云的强子作用。另一个源的能谱较硬,其在GeV能段的形态和能谱分布都可以与TeV源HESS J1804-216的观测数据对应。该源由轻子辐射主导,很可能是来自脉冲星PSRJ1803-2137供能的脉冲星风云。最后在第五章,我们对上述工作的做了总结并对未来的伽玛射线观测项目做了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 超新星遗迹与银河系内宇宙线的起源问题
•   1.2 伽玛射线的产生机制
•     1.2.1 轻子辐射
•     1.2.2 强子辐射
•   1.3 伽玛射线的探测
•     1.3.1 地面探测
•     1.3.2 空间探测
•   1.4 Fermi-LAT及其数据分析
•     1.4.1 Fermi-LAT的构造
•     1.4.2 Fermi-LAT的数据分类
•     1.4.3 最大似然分析
• 第二章 分子云环境中的热混合型超新星遗迹Kes 41的Fermi-LAT观测研究
•   2.1 引言
•   2.2 Fermi-LAT数据分析及结果
•     2.2.1 空间分布分析
•     2.2.2 能谱分析
•     2.2.3 时变分析
•   2.3 讨论
•     2.3.1 源“A”是一个脉冲星?
•     2.3.2 源“A”起源于由Kes41加速的高能粒子?
•   2.4 分子云环境中不同超新星遗迹GeV伽玛射线辐射比较
•   2.5 小结
• 第三章 含磁陀星的超新星遗迹Kes 73的伽玛射线及其周边分子云的观测研究
•   3.1 引言
•   3.2 Fermi-LAT伽玛射线数据分析及结果
•     3.2.1 探测定位和形态分布
•     3.2.2 能谱分析
•     3.2.3 时变分析
•     3.2.4 与早先研究结果的比较
•   3.3 CO分子谱线观测及数据
•     3.3.1 CO谱线分析
•     3.3.2 运动学距离
•     3.3.3 分子气体参数
•   3.4 讨论-Kes 73区域伽玛射线的起源
•   3.5 小结
• 第四章 恒星形成区W30中的超新星遗迹G8.7-0.1的伽玛射线观测研究
•   4.1 引言
•   4.2 Fermi-LAT数据分析及结果
•     4.2.1 空间分布分析
•     4.2.2 能谱分析
•   4.3 W30和HESS J1804-216的辐射机制
•   4.4 讨论—W30区域伽玛射线辐射的起源
•   4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 简历与科研成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘冰

导师: 陈阳,Felix Aharonian

关键词: 伽玛射线,超新星遗迹,分子云,宇宙线,星际介质,粒子加速

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 南京大学

分类号: P145.3

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000153

总页数: 112

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