超新星遗迹的动力学演化及其高能辐射形态的研究

After the first detected radio emission from Supernova remnants (SNRs), about 70 years the researchs on the evolution and physical characteristic makes enormous progress, especially the high spatial and time resolution observation from radio to very high energy (VHE) gamma ray supplied significant information to study the fine structures of SNRs and their characteristics and evolutions of magnetic field, such as complex nonthermal emission morphology indicate the relation between their volution and background interstellar matters (ISM), the bright and thin X-ray filamental structures and rapid X-ray variation show there exist strong magnetic field magnification in SNRs. At the same time lots of issues are still challeged, (1) background ISM and interstellar magnetic field enclosed SNRs, such as the winds of progenitor, the interaction of supernova shock with molecular cloud, and the large size magnetic field structure near SNRs; (2) the mechanics of magnetic field amplification; (3) the leptonic or hadronic origin of GeV-TeV gamma ray. In our project, we shall develop the theoretical models by incorporating three dimensional dynamical evolutions and particle acceleration, at the same time lots of key points are considered in the models, such as the mechanics of magnetic field amplification, the winds of progenitor, and the interaction of supernova shock with molecular cloud, in order to explore the distribution of background ISM, the dominant mechanic of magnetic field amplification and the origins of high energy gamma-ray and Galactic cosmic ray.

在第一次探测到超新星遗迹的射电辐射后将近70年里，在遗迹的演化以及物理特征方面的研究取得了巨大的进步，尤其实现了从射电到甚高能伽玛射线的高时间、空间分辨观测，为超新星遗迹的精细结构研究提供了重要的信息，例如，超新星遗迹的高能辐射形态观测，暗示超新星遗迹具有复杂的高能辐射轮廓。同时遗迹中亮薄的X-ray纤维结构和光变表明遗迹中局部存在强的磁场放大等。同时还面临一些问题，（1）遗迹演化的背景星际介质和星际磁场问题；（2）遗迹演化过程中磁场放大机制问题；（3）超新星遗迹的GeV-TeV发射是起源。这些都涉及到超新星遗迹的动力学演化和粒子加速问题。 本课题将结合三维的超新星遗迹的动力学演化和粒子加速机制，同时引入磁场放大机制和背景星际介质和星际磁场。通过数值模拟，再现超新星遗迹的辐射形态，揭示超新星遗迹演化背景星际介质的分布、主导的磁场放机制、以及银河系宇宙线起源。

目前普遍认为超新星遗迹扩散激波加速是银河系宇宙线粒子的重要加速站点之一，重要的证据来源于超新星遗迹的X-ray和伽玛射线的观测研究。SNR RX J1713-3946的年量级X-ray快速光变暗示快速的宇宙线加速和迅速的宇宙线能量损失过程，这必然要求我们去详细研究超新星遗迹的动力学演化和磁场的放大机制。在遗迹的非线性扩散激波加速理论中，被加速的宇宙线粒子的反馈会影响遗迹的演化过程和磁场的放大效率，因此有必要开展耦合超新星遗迹的粒子加速和动力学演化过程的研究，同时超新星遗迹包裹的星际介质和背景磁场的各向异性，又要求我们开展2-3维的数值磁流体动力学藕和粒子加速过程的模拟。该项目主要开展了下列四个方面的研究：（1）超新星遗迹在稠密的分子云和湍动等离子体中的演化，我们构建了分子云的分布模型，讨论了遗迹在不同的星际介质和分子云的分布的演化由于动力学不稳定性导致的磁场放大的效率；（2）超新星遗迹的辐射偏振研究超新星遗迹内部磁场的结构，主要探索了大尺度磁场的指向与视线方向关系对年轻超新星遗迹的射电偏振的影响；（3）年轻超新星遗迹激波与分子云团块的相互作用（内行激波产生机制），通过构建分子云团块的空间分布和密度轮廓，研究了Cassiopeia A的内行激波产生与观测结果一致的分子云团块的密度限定；（4）超新星遗迹的宇宙线反馈动力学演化，该研究耦合了粒子加速机制和遗迹的动力学演化过程，调查了宇宙线的反馈对遗迹动力学演化和磁场放大的影响。通过该项目的研究，发现超新星遗迹动力学演化过程和磁场放大效率严重依赖于遗迹演化的星际介质，背景磁场的分布和被加速宇宙线的反馈过程。被加速的粒子能量大小主要依赖于超新星遗迹的激波演化和磁场的强度，因此开展超新星遗迹的演化过程和磁场放大的研究对于我们认识银河系宇宙线起源有重要的科学意义。