一条长达42光年的“尾巴”，两只“中国眼”如何“看”清宇宙线的定向传播？

在四川稻城海子山，高海拔宇宙线观测站（拉索，LHAASO）如同一张1.36平方公里的大网，昼夜不停地捕捉着“天外来客”宇宙线的踪迹。几百公里外的太空轨道上，天关卫星正用X射线望远镜扫视着同一片天空。

一只在地面，一只在太空，这两只“中国眼”近日首次正式“牵手”，给出了一份让国际同行关注的成果：在距离地球约4600光年的一颗脉冲星身后，发现了一条长达42光年的X射线尾迹，并与拉索探测到的超高能伽马射线在空间上高度吻合。

该成果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联合团队。

百年谜题：

宇宙线从哪里来，又往哪里去

要理解这项发现的意义，得从宇宙线说起。

1912年，科学家乘热气球升到高空，发现了一种来自太空的“粒子雨”——宇宙线。它们是来自外太空的带电粒子，携带着极高的能量，有的甚至远超人类加速器所能达到的上限。

但一个根本问题始终悬而未决：它们从哪里来？又是如何被加速到如此高的能量？

麻烦在于，宇宙线是带电的。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在采访中打了个比方：“它们穿过星际空间时，会被磁场不断‘甩来甩去’，走的是弯曲的路线。即使我们在地球上捕捉到了它们，也无法顺着来路找到‘出生地’。”

幸运的是，高能粒子在旅途中会留下“足迹”。当它们在磁场中偏转时，会发出X射线；当它们与星际空间中的低能光子碰撞时，又会把光子“踢”成伽马射线。X射线和伽马射线都是光，沿直线传播。只要同时“看”到这两种信号，科学家就能像追踪脚印一样，反推粒子走过哪里、从哪里来。

这正是这两只“中国眼”联手要做的事。

地面之眼先“看”到异常

太空之眼补上关键一笔

拉索建在四川稻城海子山，是目前国际上灵敏度最高的超高能伽马射线观测站。它的本领是“看得远、看得清”——能捕捉到宇宙中能量最高的光子，把那些极其微弱的高能信号从海量背景中“捞”出来。

2022年前后，拉索在一颗编号为PSR J1740+1000的脉冲星附近，探测到了一团超高能伽马射线。但拉索的空间分辨率有限，能告诉科学家“那个方向有辐射”，却看不清这团辐射的具体形态和延伸范围。

此前，欧洲的XMM-牛顿卫星也曾观测过这个区域，看到了一条短短的X射线尾迹。但那条尾迹与拉索探测到的伽马射线在位置上“对不上”——伽马射线出现在尾迹延伸方向更远的地方。这个矛盾让科学家犯了难。

2024年1月，天关卫星发射升空。它搭载的风行天X射线望远镜，视场大、本底极低，特别擅长观测暗弱的弥漫结构。冯骅介绍说：“如果这个月面的亮度比它暗了100倍、1000倍，可能别的望远镜完全看不到了，风行天仍然能够把它看出来。”

天关把目光对准了这颗脉冲星。图像出来后，研究人员发现：那条X射线尾迹远比此前看到的要长得多，从脉冲星向西南方向延伸约32角分——在天上，这差不多是满月的宽度。换算到4600光年的实际距离，尾迹长约42光年。

这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。

更关键的是，这条42光年的长尾，方向和拉索探测到的伽马射线辐射完全吻合。天关看到的X射线“足迹”，和拉索“看”到的伽马射线“动静”，指向的是同一件事：一批高能电子从脉冲星附近出发，沿着一个狭窄的通道，定向奔袭了至少42光年。

定向奔袭：

一次对传统假设的挑战

在宇宙线传播的研究中，科学家过去一直面临一个“没有办法的办法”：因为不知道粒子离开加速源后到底怎么走，通常假设它们会立刻向四面八方均匀扩散。这个假设最简单，也最方便计算。

但这次的观测给出了不同的答案。

“在过去所有的宇宙线研究里面，科学家一般都会假设它是各向同性地从源里扩散出来，因为我不知道，所以只能这么假设。”论文主要作者之一、高能所副研究员、特聘青年研究员席绍强在采访中说，“这个研究成果表明，在某些情况下，它不仅可以不一致，而且可以完全相反——它可以经过42光年非常长距离的定向传播。”

X射线和伽马射线的数据可以同时用“同一批高能电子”来解释：电子在磁场中偏转发X射线，电子与低能光子碰撞发伽马射线。两种辐射的空间分布和能谱特征相互印证，不需要引入额外的“二次加速”过程。

至于为什么能走这么远，研究人员提出了两种可能：一种是星际磁场在这里比较有序，粒子像沿着“磁轨道”滑行；另一种是脉冲星风云尾部有持续的向外物质流，把粒子“吹”了出去。目前还不能确定哪种机制占主导，但无论哪种，都意味着过去的“均匀扩散”假设需要修正。

这个发现还带来一个推论：那些拉索发现的、附近找不到明确天体源的超高能伽马射线，也许并非“无主”。我们现在看到的辐射位置，很可能只是粒子长途旅行后的“终点站”，而不是它们的“出生地”。

天地“同框”：

稻城海子山与太空的首次“握手”

对四川来说，这项成果有一层特别的意义。

拉索就建在甘孜州稻城县海子山，4410米的海拔让它成为全球海拔最高、规模最大的宇宙线观测站之一。从建成运行至今，拉索已经发现了超过70个超高能伽马射线源，把这个领域的已知源数量提升了一个数量级。

过去，当拉索发现一个伽马射线源后，科学家通常需要向国外X射线卫星申请观测时间来“补位”。天文观测时间极其稀缺，一个申请等上一两年是常事。

这一次，情况不同。天关卫星和拉索同属中国科学院高能物理研究所牵头研制和运行，协调观测不需要经历漫长的国际申请流程。这种机制让从发现到深度观测的周期大大缩短。

冯骅在采访中透露，拉索团队目前已经联合了天关、FAST、银河画卷等团队，形成新的队伍，对不同波段的科学问题进行攻关。

一条42光年的尾迹，一次天地协同的观测。这不仅是两个大科学装置的首次“牵手”，更是一个信号：中国的高能天体物理研究，正在走向更深远的宇宙。

红星新闻记者 彭祥萍 图据受访单位

编辑 成序