INTEGRAL破解部分宇宙線電子散漫訊號的物理機制

天文學家分析INTEGRAL伽瑪射線觀測衛星6年來的觀測資料,終於找出宇宙線電子(cosmic-ray electron)產生銀河系高能星際輻射的個別過程,辨認出可形成硬X射線(hard X-ray)和軟伽瑪射線(soft gamma-ray)等輻射的各種物理機制,對瞭解在銀河系中流竄的高能粒子分布細節有相當大的幫助。

宇宙線(cosmic ray)是高能帶電粒子,普遍散佈於各星系中,當然也包括我們的銀河系,而且能量高到足以逃離星系的掌控,跨越星系之間的空間,抵達宇宙另一空間。自1912發現它們的存在以來,天文學家已經藉由宇宙線的幫助瞭解一些星系整體的性質,例如熱平衡或星系含有的總能量等。

天文學家可以經由宇宙線和地球大氣物質的撞擊狀況直接偵測並追蹤宇宙線的來源,也可以經由宇宙線和星系中其他粒子、光子或磁場等的交互作用所發出的輻射來間接追蹤宇宙線來源。在銀河系中,這些現象是銀河盤面獨特的瀰散輻射(diffuse emission)的主要來源;銀盤上的瀰散輻射從低能的電波、微波到高能的硬X射線和伽瑪射線,各種波長的電磁輻射都有,這是因為含有多種不同的物理過程,每種物理過程所產生的輻射波長也不同;天文學家不斷嘗試用各種不同波段進行觀測,配合各式物理模型,企圖分辨出究竟哪些物理過程造就了這些瀰散輻射,找出充斥整個銀河系的帶電粒子來源。

法國圖盧茲大學(Université de Toulouse)Laurent Bouchet表示:硬X射線和軟伽瑪射線波段的瀰散輻射是用來追蹤宇宙線電子和其反粒子—正子的絕佳工具;其中,正子雖然只佔了銀河系很小的比例,但在高能粒子族群中卻相當重要。Bouchet等人利用INTEGRAL觀測衛星資料,研究全天能量介在20keV和2.4MeV之間的狀況。由於INTEGRAL已經運作了接近10年之久,所累積的資料已使解析度好到足以滿足Bouchet等人的需求,將不同物理過程所造成的結果各自分辨開來。

Bouchet等人處理資料的第一步,是仔細檢視後,將所有包含銀河系和河外星系中的點源移除。他們共處理了數百個點源,以確保這些點源的輻射(下圖黑色部分)不會污染宇宙線所產生的瀰散輻射(下圖藍色部分)的資料。在此同時,他們發現點源主要影響範圍是瀰散輻射中能量最低的部分(20~100keV)。接著,將移除點源之後的結果,和理論模型預測的結果相互比較,以便將個別物理過程造成的輻射分辨開來。

Different contributions to the total emission at hard X-ray and soft gamma-ray energies, as measured with INTEGRAL/SPI. Courtesy of L. Bouchet (Univ. Toulouse and IRAP)Bouchet表示:有趣的是,他們發現一個主要由逆康普頓散射(Inverse Compton (IC) scattering)過程產生的瀰散輻射,在INTEGRAL最初幾年的觀測中,曾暗示應該有這樣的過程,但一直到現在才予以確認。逆康普頓散射是星際空間中的高能電子或正子,與低能光子互撞的過程中,部分能量由電子或正子傳遞給光子,使光子能量被提高到X射線和伽瑪射線波段的結果。宇宙線電子經由逆康普頓散射過程,與恆星發出的紅外波段及可見光波段的光子進行交互作用,也是透過逆康普頓散射與無所不在的宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background radiation)光子進行交互作用。

這個研究團隊是利用一個非常詳細的銀河系內側星際輻射場模型來進行各種不同物理過程的模擬,再結合INTEGRAL觀測資料後,確認能量在100~200keV之間,以及600keV~2MeV之間的瀰散輻射,主要都是由逆康普頓散射所造成的。(左上圖綠色曲線部分為理論模擬逆康普敦散射貢獻的結果)

除了逆康普頓散射之外,Bouchet等人也分辨出正子與電子對滅(annihilation)、不穩定原子核發生放射性衰變等過程所產生的瀰散輻射。當帶正電的正子和帶負電的電子對撞時,會發生兩種狀況:一是可能會立刻互相毀滅並釋放出一對能量為511keV的光子;要不然可能是會產生一個不穩定、生命期極短的「正子電子偶(positronium)」,這個雙粒子系統會隨即衰變成2個以上的光子,並因而產生能量在511keV以上的連續光譜顯著特徵。資料顯示,在能量高於1MeV之處也有2種不穩定同位素—鋁-26(26Al)和鐵-60(60Fe)的明顯衰變特徵。這顯示這些經由近期超新星爆炸過程的核融合所產生的放射性原子核,遍及銀河系各處的瀰散星際介質中。(左上圖紫色實線部分為理論模擬正子電子對滅的結果)

Bouchet還表示:除了這些物理機制外,觀測資料中能量低於50keV的來源部分必須再深入探討。根據INTEGRAL先前利用IBIS相機觀測的資料,這部分很可能來自許多尚未解析出的暗源所發出的輻射互相重疊的結果;其中,擁有非常熾熱日冕的恆星和激變星(cataclysmic variable stars)等,則最有可能是這些尚未解析的輻射來源天體。(左上圖紅色曲線為理論模擬暗源貢獻的結果)

目前INTEGRAL還在正常工作中,Bouchet等人希望未來資料繼續累積後,能再提高資料的靈敏度與解析度,讓他們能繼續測試尚未解出的部分,並將各種輻射源的重要物理參數範圍縮減,一一找出各種粒子的真實來源天體。

資料來源:INTEGRAL deciphers diffuse signature of cosmic-ray electrons[2011.12.21]

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