论文摘要
超新星遗迹作为宇宙中高速激波所形成的扩展源,对于研究高能物理过程以及星际介质弥散气体的性质和演化都有重要的作用。而超新星遗迹之中的热混合型超新星遗迹是在二十年前人们所确认的新的一种超新星遗迹类型。目前热混合型超新星遗迹形成的物理机制仍有争议,其中的热X射线辐射与超新星遗迹的常规模型所预言的结果相违背。而且近来在很多这类超新星遗迹中发现有过电离（等离子体复合）现象,这与早先的理论预言也是恰好相反的。为了研究热混合型超新星遗迹中造成这些与传统观点不符的物理机制,我们首先对于单一的源来进行多波段的观测。我们重新分析了超新星遗迹Kesteven 41（Kes 41或G337.8-0.1）的XMM-Newton和Chandra所观测的X射线数据;对于这个源的方向观测了12CO（J=1-0）,13CO（J=1-0）和C18O（J=1-0）的亚毫米波辐射线。我们发现X射线的辐射主要集中在超新星遗迹的西南方向的部分,而且在光谱上有很明显的硫元素和氩元素的类氦线辐射。这里X射线的光谱可以用一个带有吸收的非电离平衡模型来拟合,得到3σ置信度的温度范围1.3-2.6keV和电离时标范围0.1-1.2 × 1012cm-3s。拟合得到金属元素硫和氩都是超丰的,分别有1.2-2.7和1.3—3.8倍的太阳丰度（3σ置信范围）。这说明在这个超新星遗迹的X射线辐射等离子体中有很大成分的超新星爆炸抛射物。通过对于分子辐射的研究,我们发现Kes 41是在与附近的一个本地静止标准速度-50km s-1的分子云相互作用。而且西面北面的分子云结构和东南面的原子云结构组成了一个超新星遗迹所在的致密环境空腔。在这个事先存在的分子云空腔中诞生和演化的超新星遗迹,其前身星应该是一个质量>18 Mo的大质量恒星（假设为单星）。结合这些观测事实,热传导与小云团蒸发都可以解释X射线的热混合形态特征。而我们提出从空腔壁反弹的激波加热气体也是一个可能的情形。我们对于目前观测到的热混合型超新星遗迹做了一个统计。其中对于以Kes 41为代表的抛射物主导（金属超丰）这个热混合超新星遗迹的亚类进行了解释和讨论。我们发现这个亚类占了所有热混合型超新星遗迹的67%—81%,而且观测表明它们常常是与周围分子云相互作用的。在36（或37）个热混合型超新星遗迹中有11（或12）个遗迹是在一个致密环境的空腔中演化的,其中大部分是金属增丰的。结合Kes 41个案我们认为抛射物主导的超新星遗迹与空腔中演化的热混合型超新星遗迹之间可能存在着物理上的关联性。为了探究热混合型超新星遗迹中X射线热辐射形成的物理机制以及过电离等离子体（或复合等离子体）的形成原因,我们首先对非电离平衡的计算进行了一些理论推导,然后使用这个计算方法直接对遗迹的演化进行流体模拟。目前的流体或磁流体模拟的程序中一般都不考虑非电离平衡的影响。于是我们发展了一个改进的非电离平衡的计算方法,并将其作为一个可选模块整合到FLASH磁流体模拟程序中。这个方法使用了本征值的办法来解刚性微分方程。在新的程序中,原子数据很容易由AtomDB的数据库中进行原子数据的更新。我们对比了更新后的原子数据与原始原子数据的结果,虽然总体趋势是保持不变的,但是结果有非常明显的区别。另外新方法可以同时计算非电离平衡和辐射冷却,而这个辐射冷却也是之前的程序中所不具备的。本征值方法在没有损失任何精确度的情况下可以大大提升计算的效率。我们对于常用的展示非电离平衡的电离状态的方法进行了讨论和对比,认为平均的离子电荷数差值是最好的一种方式。我们进一步利用上述发展的本征值方法,在热混合型超新星遗迹的模拟中加入了以往未得到考虑的非电离平衡机制。根据现在的主流观点,我们在这个模拟中使用了成团的星际介质环境。模拟的结果再现了这类遗迹中越来越多观测到的过电离现象。我们展示了 2D和3D的热混合型超新星遗迹的数值流体模拟,并同时计算了其中的非平衡电离的情形。空间电离分布与温度-密度相位图都可以显示出模拟的热混合型超新星遗迹中出现了复合或过电离的现象。而绝热膨胀与热传导两种流体动力学过程都可以导致这样的过电离,然而这两种机制的主导作用可以出现在不同的区域。绝热膨胀所形成的一些特征在空间结构上和相位图中都可以明显地看到。通过对比有热传导和无热传导模拟的结果,可以发现热传导也是有很大贡献的。于是我们分析得到热传导（及其伴生的云团蒸发）和绝热膨胀都会显著地冷却高温气体。我们对于不同区域模拟了实际观测中X射线辐射的空间分布和光谱。同时我们首次讨论了使用相位图与空间分布图相结合来分析观测源的过电离现象以及不同区域起主导作用的流体动力学过程。这对于未来几年将要发射的一些X射线望远镜（如Athena,XRISM等）来说是很有意义的。并且,我们将模拟的X射线观测与模拟中真实的物理条件进行了比较,以此来确定X射线观测结果对于辐射源中物理条件的估计或限制的能力。除此之外我们还对影响包括超新星遗迹在内的星际介质中高温气体谱线辐射的共振散射等辐射转移问题做了系列的工作（见附录B）。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 张高原
导师: 陈阳,Randall K.Smith
关键词: 超新星遗迹,星际介质,磁流体模拟
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
总页数: 169
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