天关卫星与拉索强强联手，见证宇宙线“定向奔袭”

宇宙里存在大量“超级粒子”，能量高得惊人，被称为宇宙线。它们从哪来、怎么被加速、又怎么在宇宙里传播？这些问题已经困扰了科学家一百多年，被称为天体物理里的“百年谜题”。

记者9月21日从中国科学院高能物理所获悉，我国天关卫星（爱因斯坦探针）与高海拔宇宙线观测站（拉索）一个在天上，一个在地面，两大观测设备强强联合，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，让科研人员得以追踪宇宙高能粒子在星际空间中的漫长旅程。研究表明，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。这项研究发表在我国科技期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》（英文版）。

拉索发现“无主”伽马射线

宇宙线主要是高速飞行的带电粒子，比如质子、电子、原子核。这些能量极高的粒子可以在超新星遗迹、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。

宇宙线是带电的，在星际磁场里会拐弯，天文学家很难直接追踪它们的“老家”。怎么办？看伽马射线。

当这些高能粒子撞上星光等低能光子，就会产生伽马射线。伽马射线不带电，沿直线飞，像宇宙线留下的“脚印”。看到它，就能反推：这里很可能有高能宇宙线在活动。

我国的高海拔宇宙线观测站“拉索”，就是捕捉这种“脚印”的高手。它拥有最灵敏的超高能伽马射线望远镜，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的高能粒子。据中国科学院高能物理研究所研究员冯骅介绍，近年来，拉索发现了一批超高能伽马射线源，但其中部分伽马射线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人们能够探测到的伽马射线。

天关发现隐藏的42光年长尾

要证实这个猜想，光靠地面观测还不够。于是，天上的天关卫星和地面的拉索“联手”了。

天体脉冲星（中子星）是强大的粒子加速器。此次研究聚焦一颗中年脉冲星——PSR J1740+1000。此前，XMM-牛顿卫星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位于这条尾迹延伸的方向上。

天关卫星上的“风行天”望远镜，可以在拉索看到的伽马射线区域里聚焦更细节的结构。这个望远镜优势明显，视野大、背景噪声低，非常适合在较大天空区域寻找暗弱的弥漫X射线结构。“相当于拉索告诉我们天上哪个地方可能藏着宇宙线的‘加速工厂’，天关卫星告诉我们工厂里车间、流水线是怎么工作的。”南京大学博士研究生池奕恒说。

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，在4600光年的距离上相当于约42光年，像一条被拉直的“跑道”。

这意味着，人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。研究表明，这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。

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（左图），蓝色是天关卫星观测到的X射线脉冲星风云的完整尾迹（右图）。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。图/X射线观测：天关卫星、XMM-牛顿卫星；伽马射线观测：拉索；光学背景：帕洛玛天文台DSS2图像；图像处理：南京大学 池奕恒

X射线和伽马射线来自同一批粒子

联合观测发现，X射线和伽马射线在天空中的位置不仅能够对应起来，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射线的形式被天关卫星探测到。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，产生超高能伽马射线，被拉索探测到。

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。

为寻找超高能伽马射线源提供新视角

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。

这一结果为理解银河系中的超高能伽马射线源提供了新视角：科研人员现在看到的辐射位置，很可能只是粒子长途旅行后的“足迹”，而不是它们的“出生地”。同时，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途径。

新京报记者 张璐

编辑 刘梦婕 校对 贾宁