破解宇宙线“百年谜题”

来源：光明日报

在距离地球约4600光年处，有一颗每秒自转约6.5圈的脉冲星。它像一台天然粒子加速器，把电子加速到极高能量。这些电子离开脉冲星后，并没有像烟一样四散，而是沿着一条看不见的“磁轨道”列队奔跑了约42光年——这是我国“天关”卫星与高海拔宇宙线观测站（以下称“拉索”）首次联手观测到的景象。

“这就像在烟雾里开手电筒，能看到一个光柱。X射线和伽马射线就是我们看到的光柱，而脉冲星就是那个手电筒。”南京大学博士研究生池奕恒说。中国科学院高能物理研究所研究员冯骅解释道：“以前没有观测证据，只能假设宇宙线一出源就四散；这次发现，说明至少在相当长一段距离内，它是定向传播的。”

拉索建在四川稻城海拔4410米处，是目前世界上灵敏度最高的超高能伽马射线探测器之一；“天关”卫星在太空轨道上，像一台给宇宙拍X光片的“相机”。一个天上、一个地下，观测能区跨越10多个数量级。这次“手牵手”，让科学家沿一条42光年的X射线尾迹，追踪到高能粒子从脉冲星附近一路传播到远方的过程。这一发现，为破解宇宙线起源、加速和传播的百年谜题提供了新线索。

带电“信使”为何难寻“出发点”

宇宙线是1912年通过热气球发现的。当时科学家飞到高空，发现太空中有大量能量极高的带电粒子。100多年过去，它们从哪里来、如何被加速，又怎样传到地球，仍是未解之谜。

据冯骅介绍，拉索直径1.3公里，运行后，已发现70多个超高能伽马射线源，但其中一些源附近并没有明显的天体可以作为“源头”。冯骅说，拉索定位精度有限，“就像老师听到教室后面有学生说话，只能感觉大概方向，分不清是哪个学生。”要找到源头，就得请X射线望远镜来“逮人”。

中国科学院高能物理研究所研究员熊少林告诉记者，“天关”卫星和拉索，一个天上一个地下，观测能区跨越10多个数量级。“天关”卫星2024年初发射，学名爱因斯坦探针，主要探测宇宙中变化最快的X射线爆发。这次研究用的是“天关”卫星上的后随X射线望远镜，昵称“风行天”。冯骅表示，“风行天”视场大、在轨道上粒子本底非常低，把这两项能力结合起来，“成了全世界的独一份儿”，特别适合观测暗弱的弥漫X射线结构。

为什么找源头这么难？池奕恒解释说，宇宙线带电，在星际磁场中会不断偏折，不像光一样走直线。我们在地球上看到的宇宙线，在银河系里传播了上百、上千光年后，已经失去了最初的方向信息。但幸运的是，高能粒子在路上会辐射出X射线、伽马射线，这些光沿直线传播，可以用来反推加速工厂的位置。

这次研究的目标，是一颗名叫PSR J1740+1000的脉冲星。池奕恒说，它距地球约4600光年，每秒钟自转约6.5圈，每秒钟释放的能量约是太阳发光发热总能量的100倍。此前，欧洲XMM-Newton望远镜在它周围看到一条数光年长的X射线尾迹，拉索又在尾迹延伸方向看到超高能伽马射线。冯骅接着说，一开始两者似乎对不上，后来发现不是错位，而是XMM-Newton灵敏度有限，只看到了尾巴最亮的一小段。

42光年“长尾”如何现形

普通X射线望远镜要拍月亮，很难一次包含整个月面；“风行天”一次观测就能把整个月面装进去。更关键的是，它噪声低，能看清非常暗弱、非常弥散的结构。而与国际同类望远镜相比，“风行天”单次能覆盖更大天空范围，而且低本底让它能看到钱德拉、XMM-Newton等望远镜容易忽略的暗弱结构。

“天关”卫星用约7万秒观测，发现这条尾迹远比此前看到的更长：从脉冲星附近一路向西南方向延伸，最长约32角分，约为月亮角直径。在4600光年的距离上，这相当于约42光年。池奕恒说：“这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。”

拉索这边，据中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员席绍强介绍，团队把近1900多天的数据叠加在一起，发现伽马射线不再是一个圆点，而是一条约0.6度长的“长条”。他打了个比方：这就像用照相机拍照，曝光短了什么都看不见，曝光长一点，才看出模糊的东西，再长一点，才看清是个长条状的东西。

冯骅补充道，XMM-Newton的有效面积比“风行天”大4倍多，观测时间多6倍多，两者结合的有效曝光高出20到30倍，却仍然只能看到尾迹最亮的一小部分。“风行天”在曝光面积不到XMM-Newton四分之一、观测时间不到六分之一的情况下，看到了更延展、更暗弱的结构。这其中，中国科学院高能物理研究所研究员陈勇负责“风行天”仪器总体，研究员贾淑梅负责本底和仪器标定，池奕恒完成了X射线数据分析。

X射线和伽马射线为什么能对应起来？池奕恒解释，它们来自同一批高能电子。电子在脉冲星风云中获得很高能量，沿尾迹传播时在磁场中做回旋运动，发出X射线；同时，它们还会撞上宇宙空间中原本存在的低能光子，把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。他比喻说，就像在烟雾里开手电筒，能看到一个光柱；X射线和伽马射线就是光柱，而脉冲星就是那个手电筒。冯骅补充道，空间形态一致，能谱也能用同一群电子解释，原来猜测的“重新加速”并不需要。

南京大学副教授周平进一步介绍，这次观测的脉冲星风云年龄超过天关客星（公元1054年爆发并被史官记录的超新星）10倍，是一颗比较年老的脉冲星风云，但它仍在通过某种方式释放能量，影响至少42光年的天区。这说明脉冲星风云在相当长一段时间里，都在对星系产生持续影响。

中国科学院院士、拉索首席科学家曹臻给出评价，这项成果具有划时代意义，改变了本领域的惯性思维。过去针对拉索新发现的源开展多波段研究，往往要搜索国外X射线卫星的档案数据，再申请观测，竞争激烈，常常需一年到两年才能实现一次有效观测。而“天关”卫星与拉索同由中国科学院高能物理研究所粒子天体物理全国重点实验室牵头研制和运行，在国内大科学工程机制下，两个团队可以直接组成联合研究团体，这样不仅大大提速，也保证了研究深度。“这种模式，在观测时间极为稀缺的天文界，可以称之为梦想级的罕见事件。”曹臻说。

粒子为何能“列队奔跑”

过去，科学家通常假设宇宙线从源头出来后，会向四面八方均匀扩散。“以前我们没有任何观测证据，只能假设它一出源就四散。这次发现，至少在相当长一段距离内，它是定向传播的。”冯骅说，这个研究成果在某些情况下不仅不对，而且完全偏离了事实——高能粒子可以经过长达42光年的非常长距离的定向传播。

南京大学教授柳若愚解释，宇宙线带电，在银河系磁场中传播会受到约束和偏折。地球上看到的宇宙线，已经是经历过传播的宇宙线。这次发现说明，粒子从源逃出后，至少在一段时间内没有立刻散开，而是保留着出发时的方向。“这为我们研究星际磁场性质以及宇宙线传播机制，提供了非常重要的线索。”

至于为什么能跑这么远，冯骅介绍，一种可能是星际磁场比较有序，粒子沿磁场方向跑，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，把高能粒子携带到远处，仿佛高压水枪。“目前数据还不能判断哪一种占主导，两种都有可能，这可能是未来研究的重点。”

这个发现也改变了找源头的思路。冯骅说，以后看到伽马射线，不能只盯着最亮处，还要沿可能的路径找“出生地”。有些拉索源找不到源头，如果粒子是四散的，源头应该在辐射正中间；如果它是定向传播的，源头就可能远离我们，需要更多观测去找。

据池奕恒介绍，团队最近还在关注微类星体。拉索发现微类星体似乎具有非常高效的加速粒子能力，“风行天”及时参与，可以在短时间内快速了解这类天体粒子加速和辐射的图景。此外，团队还在研究其他脉冲星相关天体，希望进一步了解超高能电子如何传输、辐射和冷却。

冯骅透露，团队已利用“天关”卫星对约10来个拉索源进行观测，这次选择科学意义最重要、显示度最高的一个先发表。第二篇文章已投稿，估计一两个月内接受发表。后面还在策划利用“天关”卫星对拉索发现大量超高能辐射的重要天区进行大型深度观测。席绍强补充，那片区域曾报道过人类探测到的最高能量光子，团队计划进行深度覆盖观测研究。

冯骅表示，这次合作也说明，需要在顶层设计上鼓励和促成大科学装置之间的合作。每个科学家的兴趣可能不一样，但有些重要科学问题需要大家同心协力，共同攻关。现在拉索团队已联合“天关”、FAST、银河画卷等不同波段团队，形成新的队伍。“天关”卫星首席研究员袁为民认为，这项成果释放了一个信号：中国主导的国际领先大科学装置之间的强强联合，已经开始携手挑战基础研究和交叉研究领域的重大科学问题。

周平则感慨，高校虽然没有参与望远镜研制，但很高兴能用上“世界上最好的数据”做前沿研究，“在我当博士生的时候是没有这样的机会的，现在研究生也能用上这样好的数据了。”冯骅很欣慰，这是两个国内非常有显示度、标志性的大科学设施第一次合作，成果出来后的第一篇文章，团队决定不投国外杂志，一定要投国内杂志，“国家也在倡导，要把我们自己的成果发表在本土期刊上。”

一条42光年的“长尾”，连接起天上的“天关”和地上的拉索。下一步，我国科学家团队还将顺着更多这样的“脚印”，找回宇宙线的出发地。