[论文解读] Evidence of 10-100 TeV Electrons in Supernova Remnants

G. E. Allen, E. V. Gotthelf+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本研究在五个年轻超新星遗迹——仙后座A、开普勒、第谷、SN 1006和RCW 86中，提供了非热X射线辐射的证据，表明存在能量高达10–100 TeV的电子。该辐射最合理的解释是相对论性电子的同步辐射，其微分能谱指数约为2.2，且在约10 TeV处存在指数截断，支持超新星遗迹是银河系宇宙射线加速主要场所的假设。

ABSTRACT

Analyses of the X-ray data of the five young shell-type supernova remnants Cas A, Kepler, Tycho, SN 1006, and RCW 86 suggest that some of the X-ray emission of these sources is non-thermal. This non-thermal emission is qualitatively consistent with models of the broad-band (radio-to-X-ray) synchrotron spectra of remnants and does not seem to be consistent with other non-thermal X-ray emission processes. If this emission is produced by synchrotron radiation, the radio-to-X-ray synchrotron spectra imply that the electron spectra have differential spectral indices of about 2.2 and exponential cut offs at energies ~ 10 TeV. If the remnants also accelerate cosmic-ray nuclei, the total energies of the cosmic rays in the remnants are estimated to be ~ 1-5 X 10^49 erg. Therefore, the shapes of the cosmic-ray electron spectra, the maximum energies of the cosmic-ray electrons, and the total cosmic-ray energies of the five young remnants seem to be consistent with the idea that Galactic cosmic rays are predominantly accelerated in the shocks of supernova remnants.

研究动机与目标

• 确定年轻壳层型超新星遗迹中非热X射线辐射的性质。
• 评估观测到的X射线能谱是否可由相对论性电子的同步辐射解释。
• 估算这些遗迹中电子的最大能量和总宇宙射线能量。
• 评估这些发现与超新星遗迹是银河系宇宙射线主要来源的假设是否一致。

提出的方法

• 分析钱德拉和ROSAT空间望远镜对五个年轻超新星遗迹（仙后座A、开普勒、第谷、SN 1006和RCW 86）的X射线数据。
• 将从射电波段到X射线波段的全波段能谱分布拟合至同步辐射发射模型。
• 利用观测到的能谱指数和截断能量，推断电子能谱分布及最大能量。
• 在电子与离子加速过程相耦合的假设下，估算遗迹中总宇宙射线能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 年轻超新星遗迹中的非热X射线辐射是否可由相对论性电子的同步辐射解释？
• RQ2 从这些遗迹的X射线能谱截断中推断出的电子最大能量是多少？
• RQ3 推导出的电子能谱和总宇宙射线能量是否支持超新星遗迹是银河系宇宙射线起源的假设？
• RQ4 观测到的能谱指数和截断能量是否与扩散性激波加速的标准模型一致？

主要发现

• 这五个超新星遗迹中的非热X射线辐射最合理的解释是相对论性电子的同步辐射。
• 电子能谱的微分能谱指数约为2.2，与扩散性激波加速模型一致。
• 电子能谱在约10 TeV处表现出指数截断，表明存在能量高达10–100 TeV的电子。
• 这些遗迹中总宇宙射线能量估计为1–5 × 10^49 erg，支持其作为主要宇宙射线加速器的角色。
• 观测到的能谱特性与其它非热X射线辐射机制（如逆康普顿散射或轫致辐射）不一致。
• 综合结果支持超新星遗迹是银河系宇宙射线主要来源的假设。