“天地”联手 捕捉暗弱宇宙信号

PSR J1740+1000的多波段示意图。紫色为拉索测到的超高能伽马射线辐射，红色是XMM-Newton卫星测到的X射线脉冲星风云的局部尾迹（上图），蓝色是天关卫星观测的X射线脉冲星风云的完整尾迹（下图）。虽然XMM-Newton的观测时间是天关的6倍多，但只探测到了尾迹的一小部分。中国科学院高能物理研究所供图

　　当天上的“眼睛”和地上的“眼睛”同时睁大，会看到什么？

　　由我国两大科学装置联手完成的一项成果给出了答案：研究团队利用我国“天关”卫星（爱因斯坦探针——记者注）与高海拔宇宙线观测站（“拉索”，LHAASO——记者注）的联合观测，在一颗距离地球约4600光年的脉冲星周围，发现了一条此前未被完整看到的超长X射线尾迹。

　　这条长达42光年的X射线尾迹，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，让研究者得以追踪宇宙高能粒子在星际空间中的漫长旅程。9月21日，相关论文发表在我国科技期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》（英文版），通讯作者为中国科学院高能物理研究所与南京大学的联合团队。

　　“这项成果的发表具有划时代的意义。”中国科学院院士、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻说，“这项成果对整个辐射机制的拼图给出了一个全面的解释，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。”

　　“拉索”看到了伽马射线，“天关”看到了长尾

　　据了解，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”。

　　然而，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。

　　“这好比老师在黑板上写字时，突然听到下面有学生说话。老师转过头去，只能大概感觉到说话的方向，但不能分辨具体是哪个学生在捣乱。因此，我们需要用另一设备找出这个学生。”中国科学院高能物理研究所研究员、粒子天体物理全国重点实验室主任冯骅向中青报·中青网记者解释。

　　据冯骅介绍，PSR J1740+1000是一颗中年脉冲星。此前，欧洲XMM-Newton望远镜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。

　　此前，“拉索”测到的伽马射线是一团看不出形状的光斑，而“天关”凭借大视场、低本底的优势，用约7万秒的观测看清了尾迹全貌。一个在天、一个在地，两双“眼睛”看到的，其实是同一批粒子。

　　“1000多张图片叠在一起，但当时我们仍未能看清，认为它可能是一个点云的点状源。我们发现这个源的位置与附近今天讲的脉冲星存在偏离，这是一个重要的观测现象。”中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员席绍强说，“此次我们用了1900多张图片，约1900天的数据叠在一起，我们发现这个源不再是一个点，而是能模糊地看到一个长条状”。

　　“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，研究者最终“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。研究表明，这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。

　　“这无疑展示了超高能电子从脉冲星逃逸后，在40几光年的尺度上如何传播的图像。”南京大学天文与空间科学学院博士研究生池奕恒说。

　　X射线和伽马射线来自同一批粒子

　　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。

　　“我们可以想象这样一个场景，类似于打台球，一个具有大量能量的大电子突然撞到一个能量较低的光子，然后把能量传递给光子，使光子获得足够高、足够多的能量，然后辐射出伽马射线。”池奕恒说。

　　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。

　　“第二个是对其进行伽马射线和X线联合的能量分析，即能谱拟合，发现可以用同一群电子同时解释伽马射线和X线辐射。因此达到了一致结果。”冯骅说。

　　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。

　　“这是最简单的假设，处理起来最方便。但此次观测发现，我们以前的假设有误。粒子逃出后至少会定向传播一段时间，当然最终可能会散开。”南京大学天文与空间科学学院副教授柳若愚说。

　　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，即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。

　　“目前来说，从当前数据看，两种解释都有可能且合理。我认为这是未来研究的一个重点。”冯骅说。

　　为寻找超高能伽马射线源提供新视角

　　研究人员认为，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。现在看到的辐射位置，很可能只是粒子长途旅行中的“足迹”，而不是它们的“出生地”。

　　“有些‘拉索’源目前尚未找到源头，这给我们一个很好的暗示，即源头可能远离我们。如果辐射是四散的，源头应该就在‘拉索’辐射的正中间，重心没有变。但如果辐射是定向传播的，可能源头就远离我们了，所以我们还需要更多的观测来寻找这些源头。”冯骅说。

　　“天关”与“拉索”的这一发现，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。

　　用曹臻的话说，两大科学装置在“观测时间极为稀缺”的天文观测资源上实现强强联合，完成了天文界“战役级”的多望远镜联合观测，为将来大科学装置之间的合作树立了典范。

　　“这充分体现了‘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。”他说。

　　另外，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。在曹臻看来，这“改变了本领域的惯性思维”。

　　“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，更重要的是在观测的深度上，确保了重要科学发现的特殊要求。”曹臻感慨，通常需要跨国、跨领域的高度协调，才能组织起这样的联合观测，这次“在科学院内的合作就实现了”。

　　“这当然得益于我们同时具备了覆盖不同波段、全球最灵敏的探测装置，也得益于高度的科学合作精神。这项成果的取得和发表对此提供了典范，为将来大科学装置之间的合作，尤其是在时域天文学研究中，做出了表率。我对未来在此模式下获得更多重要成果，充满信心。”曹臻说。

　　“天关”卫星首席科学家袁为民表示，这项成果释放出一个信号，即中国主导的国际领先的大科学装置之间的强强联合，已经开始携手挑战一些基础研究和交叉科学领域的重大科学问题。

　　“在科学产出最大化的目标牵引下，为了确保获得成果，‘天关’投入了大量观测时间，我们与‘拉索’团队之间的合作非常高效和顺畅，更像一个超级研究团队，完美诠释了大装置科学合作精神。我对未来与‘拉索’合作，取得更多、更大的成果充满信心。”袁为民说。

来源：中国青年报客户端