梦想级事件！高能粒子在宇宙中旅行的轨迹，被一对“天地CP”发现｜科技观察

封面新闻记者 张峥

沿着一条长达42光年的尾迹，科学家们追踪到高能粒子在宇宙中旅行的部分轨迹。而发现这一现象的，是我国布局在600公里以上高空的天关卫星（爱因斯坦探针卫星），以及布设在四川稻城的高海拔宇宙线观测站拉索。

这为理解高能粒子如何离开加速天体、又如何在星际空间中传播提供了新的观测证据，也为解释一些缺少明确天体对应物的超高能伽马射线源提供了新的思路。该工作发表在9月21日发布的我国科技期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》（英文版）上，通讯作者为中国科学院高能物理研究所与南京大学联合团队。

“天关和拉索联合观测的研究成果，非常令人兴奋。首先，它证实了之前的猜想，也就是多波段、尤其是低能X射线观测，能有效的限制研究高能宇宙线如何输运、扩散和耗散能量，对宇宙线整个生命周期演化的研究极为重要。”天关卫星首席科学家袁为民表示。

“百年谜题”有了新思路

天关的核心科学目标是探测转瞬即逝的宇宙焰火，拉索的核心科学目标是探索高能宇宙线起源。

高能宇宙线的起源、加速和传播问题，被称为天体物理中的“百年谜题”。拉索发现了大量前所未有的超高能宇宙射线源，带来了宇宙线研究领域的革命性的突破。然而，要完全解决宇宙学起源这一世纪之谜，还需要在研究宇宙线是如何被加速到PeV的能量、如何从加速器的局域范围传播和扩散到星际空间、其能量是否会被耗尽等等，以获得宇宙线从产生、传播到演化的完整图像。

而我国科学家利用天关卫星与高海拔宇宙线观测站（拉索，LHAASO）的联合观测，在一颗距离地球约4600光年的脉冲星PSR J1740+1000 周围发现了一条此前未被完整看到的超长X射线尾迹。尾迹延伸约42光年，并与拉索探测到的超高能伽马射线辐射沿同一方向延伸，在空间上高度吻合。研究表明，这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。

高海拔宇宙线观测站拉索

这一发现表明，脉冲星风云中产生的高能粒子离开源头后，并没有立即向各个方向均匀扩散，而是能够沿一定方向传播数十光年。这为理解高能粒子如何离开加速天体、又如何在星际空间中传播提供了新的观测证据，也为解释一些缺少明确天体对应物的超高能伽马射线源提供了新的思路。

相比下，欧洲建造的最大科学卫星XMM-Newton，观测时间是天关的6倍多，但只探测到了尾迹的一小部分。

无主高能粒子 可能有了源头

宇宙中存在大量能量极高的粒子。它们可以在超新星遗迹、脉冲星、黑洞等极端天体附近被加速到接近光速，并在离开这些天体后继续穿行于星际空间。

拉索能够探测宇宙中能量极高的伽马射线，其中一些来自能量超过千万亿电子伏特（PeV）的高能粒子。近年来，拉索发现了一批超高能伽马射线源，但其中部分源附近并没有明显的天体可以作为“源头”。

这并不意味着这些伽马射线没有来源。一个可能的情况是，高能粒子在离开加速源后已经传播了很远，直到远离源头的位置才产生我们能够探测到的伽马射线。要理解这种现象，关键就在于找到高能粒子从哪里来，以及它们究竟如何传播。

PSR J1740+1000是一颗中年脉冲星。此前，XMM-Newton已经在它周围发现了一条数光年长的X射线尾迹；与此同时，拉索发现的超高能伽马射线辐射则位于这条尾迹延伸的方向上。

天关卫星的X射线望远镜具有较大的视场和较低的本底，非常适合在较大天空区域寻找暗弱的弥漫X射线结构。通过约7万秒的观测，天关卫星发现，这条尾迹远比此前看到的更长：它从脉冲星附近一路向西南方向延伸，最长达到约32角分（约为月亮角直径），在4600光年的距离上相当于约42光年。这意味着，我们看到的并不是一个只存在于脉冲星附近的“小尾巴”，而是一条跨越数十光年的巨大高能粒子传播痕迹。

天关卫星

X射线和伽马射线来自同一批粒子

研究人员表示，这次联合观测的关键，不只是X 射线和伽马射线在天空中的位置能够对应起来，它们的辐射性质也可以由同一批高能电子解释。

这些电子在脉冲星风云中获得很高的能量。当它们沿尾迹传播时，会在磁场中运动并产生同步辐射，其中一部分以X 射线的形式被天关探测到。与此同时，这些高能电子还会与宇宙空间中原本存在的低能光子发生相互作用，将低能光子提升到极高能量，产生拉索探测到的超高能伽马射线。

因此，X 射线和伽马射线就像是在不同波段记录下同一批高能粒子留下的“足迹”。两种辐射的空间位置和能谱能够相互对应，为这条超长尾迹确实由高能粒子延伸传播形成提供了有力证据。

高能粒子为何能“走”这么远

通常情况下，高能粒子进入星际空间后会不断受到磁场扰动，逐渐向各个方向扩散。但这次观测显示，在长达42光年的尺度上，高能粒子仍然保持明显的传播方向。

研究人员提出了两种可能的解释。一种可能是，星际空间中的磁场具有较强的有序性，高能粒子能够沿着磁场方向传播，而垂直于这一方向的运动受到抑制，相当于修建了一条狭长的“磁轨道”。另一种可能是，脉冲星风云尾部存在持续向外运动的物质流，将高能粒子携带到远处，仿佛高压水枪一般。

目前还不能确定究竟是哪一种机制占主导，但两种解释都指向同一个重要事实：高能粒子离开脉冲星风云后，并不会总是在很短距离内就完全“随机散开”，而可能在相当长的距离内保留自身的传播方向。

这一结果也为理解银河系中的超高能伽马射线源提供了新的视角：我们现在看到的辐射位置，很可能只是粒子长途旅行中留下的"足迹"，而不是它们的出生地。

梦想组合 天地CP联合攻关

此次天关与拉索的联合观测，将X 射线和超高能伽马射线两种不同波段的观测连接起来，让科学家能够沿着一条长达42光年的尾迹，追踪高能粒子从脉冲星附近一路传播到远方的过程。这不仅展示了空间和地面高能观测设备协同工作的独特优势，也为研究极端天体产生的高能粒子如何逃离源头、如何在银河系中传播提供了新的观测窗口。

天关、拉索联手追踪高能粒子运行轨迹

中国科学院院士曹臻表示，在国内大科学工程的合作机制下，天关卫星直接与拉索结合成为联合研究团体，开展所需深度的观测研究，以共同作者方式，发表重要的研究成果，这不但在时间上大大提速，更重要的是在研究的深度上，确保了重要科学发现的特殊要求。这种模式在观测时间极为稀缺的天文界可以被称为是梦想级的罕见事件。

“天关卫星望远镜独特设计带来的宽视场和低噪声的巨大优势，才能发现相当弥散、暗弱的信号，寻找到与拉索信号之间重要的互补性辐射，从而对整个辐射机制的拼图给出一个全面的解释，这是两个装置独自所不能实现的，完美体现了1+1大于2的合作成效。”曹臻说。