你可曾目睹浩瀚星辰中綻放煙花？在銀河系的夜空中，每百年就會上演一次煙花秀--超新星爆發。這種罕見的天象昭示着恆星生命最後的絢爛。即便這場盛況終將歸於平寂，超新星遺蹟內早已掀起“驚濤駭浪”——銀河系將迎來高能粒子流的疾風驟雨。
宇宙線是來自宇宙空間的高能帶電粒子流，主要成分為質子。觀測表明，銀河系內天體產生的宇宙線能量至少可達1PeV(1PeV=1015eV)左右，但宇宙線的起源之謎仍未解開。超新星遺蹟被認為是銀河系宇宙線的主要起源，特別是年輕的超新星遺蹟被認為有能力加速PeV宇宙線，但缺乏有力的觀測證據。
1912年，奧地利物理學家維克托·赫斯通過氣球實驗發現了宇宙線，他也因此獲得1936年諾貝爾物理學獎。宇宙線被發現一百年有餘，它的起源天體和加速機制仍是難解的謎題。因為宇宙線是帶電的高能粒子，它們的運動方向在傳播過程中受星際磁場的影響發生偏轉，因此無法通過它們到達地球的方向來逆推其起源方位，以判定加速源到底是何種天體。
圖1
圖1 超新星遺蹟（SNR） G106.3+2.7三維結構示意圖。左圖顯示大質量恆星在死亡時產生超新星並向四周拋射大量物質（SN ejecta），SNR是這些物質與周邊介質碰撞後的產物，SNR的前身星塌縮成為脈衝星（pulsar; 黃色星星），因此假設超新星的爆發中心在脈衝星附近。觀測表明SNR頭部附近有致密原子氣體（HI Cloud），所以膨脹受阻。而SNR尾部氣體較稀薄，SNR以較快的速度膨脹延展。SNR膨脹方向的前沿是拋射物質與周邊介質碰撞產生的激波（Shock），激波掃過的粒子在激波面上被加速。高速激波的長時間持續加速能夠把宇宙線質子（p）加速到PeV能量，這些超高能質子在逃逸出SNR之後轟擊尾部附近的緻密分子云（H2 Cloud）產生伽馬光子輻射（γ）。地球上觀測的視線方向（LOS）為綠色箭頭所示，右上圖：我們觀測到的SNR在天球上的投影圖（實際觀測圖像如圖2所示）。右下圖為投影效應示意圖，我們觀測到的SNR是三維SNR結構在天空中的二維投影圖像。
從地球上測量的宇宙線總體能譜（宇宙線粒子數目隨能量的分佈）上發現銀河系中存在至少能把粒子加速到PeV（1015eV）的天體。超新星遺蹟（SNR）是宇宙線起源的熱門天體，它們是恆星死亡的產物。部分恆星以璀璨的超新星爆發來結束自己的一生，而超新星爆發後產生的爆震波（也稱為激波）可將周邊星際介質中的粒子加速到非常高的能量，這些粒子產生的輻射被稱為超新星遺蹟。SNR的粒子加速能力對激波的速度非常依賴，具有X射線同步輻射是高速激波的一個重要標誌。然而，受阻於周圍的星際介質，SNR在膨脹過程中，它們的激波速度會逐漸減小，所以一般認為SNR只有在早期膨脹的幾百年時間內有着較高的粒子加速能力。而宇宙線的最大能量也受限於加速時間，幾百年的時間或許不足以將粒子加速到PeV。
圖2
圖2 超新星遺蹟（SNR）周圍的氣體分佈圖。綠色輪廓為SNR射電波段觀測的形態。藍色圖像為原子氫氣圖像，超新星爆炸後，SNR主要朝着原子氫氣稀薄的空腔中進行膨脹（即當前SNR尾部的方位）。SNR頭部被較為緻密的原子氫氣所包圍，因此SNR頭部膨脹受阻被減速。紅色圖像為更加緻密的分子氣體圖像。它處在SNR周圍，有一部分正好在SNR尾部周圍，當高能質子被SNR加速逃逸出來後，這些高能質子像子彈一樣轟擊在這塊分子氣體上，產生高能光子輻射，這部分輻射被圖中標註（不同顏色的圓圈）的各種伽馬射線望遠鏡探測到了。
最近我們發現在一個形狀特殊、呈現出長條狀的SNR（根據它在銀河系中的方位，命名為SNR G106.3+2.7）中也有X射線同步輻射。學者根據其形態將其劃分成兩部分，明亮且緊緻的東部區域稱為頭部（Head），暗淡且延展的西部區域稱為尾部（Tail）（圖1）。這個SNR的非對稱形狀可能由周邊特殊的環境導致：觀測表明SNR頭部周圍密度高，所以因膨脹受阻速度減少；而SNR尾部處於一個低密度的星際介質“空洞”中，所以在這個方向快速延展膨脹（圖2）。在這個SNR頭部有顆明亮的脈衝星，很可能是超新星爆發的同時由恆星坍縮而成。因此，有科學家根據這顆脈衝星的特徵年齡，推算出SNR的年齡大概在幾千到一萬年左右，已進入中年時期。X射線的形態表明（圖3），頭部區域的X射線輻射很可能與脈衝星相關，而尾部區域的X射線則是由SNR加速的電子產生的同步輻射。這説明SNR尾部具有速度高達3000km/s以上的激波，可以在幾千年內把質子加速到PeV。值得一提的是，這是首次發現中年SNR在產生X射線同步輻射，足見其特殊性。
圖3
圖3 超新星遺蹟（SNR）X射線波段不同方向上的面亮度分佈：上圖從SNR的脈衝星風雲開始（名字為Boomerang），到SNR頭部，再到SNR尾部，面亮度和X射線波段的譜指數變化的方式不同，説明這三個區域X射線有不同的來源。下圖從SNR尾部到周圍ISM背景的面亮度變化，從圖中發現SNR內部X射線輻射比周圍背景要亮。證明SNR內部有激波將粒子加速到產生X射線輻射。
另一方面，伽馬射線的觀測也表明SNR G106.3+2.7區域具有非常高能的粒子被加速，但無法分辨這些粒子是電子還是質子。因為伽馬射線產生的主要機制有兩種：高能質子轟擊緻密氣體產生（伽馬射線強子起源）和高能電子散射背景光子產生（伽馬射線輕子起源）。而高能電子在磁場中還會通過同步輻射產生X射線，所以X射線是區分伽馬射線輕子起源和強子起源的關鍵。我們通過擬合SNR G106.3+2.7的X射線和伽馬射線波段的能譜，證明>30TeV（1TeV = 1012eV）的伽馬射線需要由質子產生（圖4）。此外SNR的尾部方向正好有一團緻密的分子氣體（圖1和2），為高能伽馬射線的產生提供了條件。
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圖4 對於該超新星遺蹟尾部區域多波段能譜數據的理論擬合。藍色點線和虛點線代表電子通過不同輻射機制產生的輻射流量；紅色虛線和虛點線代表質子通過不同機制產生的輻射流量；黑色粗線是所有輻射的總和；綠色實線是質子在輻射伽瑪射線時伴隨產生的中微子流量。由於磁場是一個不確定的參量，這裏分別展示了兩種不同磁場強度下的模型預期。可以看到無論是哪種磁場，在電子的輻射符合射電(CGPS)與X射線(XMM)數據的前提下，電子的輻射都無法解釋1013eV之上的數據。因此必須要有高能質子的存在才可以解釋多波段數據。
綜合各方面的觀測數據及理論預期，可認為SNR G106.3+2.7的尾部很可能是PeV質子宇宙線的源。相比於普通的中年SNR，G106.3+2.7因其所處環境的特殊性保持了高速的激波，因而有很強的加速能力。相比於同樣有高速激波的年輕SNR，G106.3+2.7內的粒子已被激波加速了更長時間，因此更有可能產生PeV宇宙線。
總結和展望該工作揭示了一個特殊的中年超新星遺蹟的存在，突破了宇宙線的超新星遺蹟起源學説的標準框架，為銀河系PeV宇宙線的起源帶來了新線索。或許在銀河系中還存在着其它類似的超新星遺蹟。多波段觀測對於尋找更多類似的超新星遺蹟十分重要。隨着多波段觀測技術和設備的不斷升級，相信在不久的將來，人類必將揭開宇宙線起源的神秘面紗。