“双剑合璧”破解“百年谜题” 天关拉索联手发现宇宙最长X射线尾迹

　　中新网北京9月21日电 (记者 孙自法)高能宇宙线的起源、加速和传播问题，被称为天体物理学的“百年谜题”，一直以来备受关注。

　　42光年X射线尾迹

　　中国天关卫星(爱因斯坦探针，英文缩写EP)、高海拔宇宙线观测站(英文缩写LHAASO，中文昵称“拉索”)最近强强联手，“双剑合璧”观测到宇宙中一条长达42光年的超长X射线尾迹——也是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹，让科学家们得以追踪宇宙高能粒子在星际空间中的漫长旅程。

天关卫星。天关卫星团队 供图

　　被戏称为“揪出狐狸尾巴”的该超长X射线尾迹，发现于一颗距离地球约4600光年的脉冲星周围，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。

　　这一破解天体物理学“百年谜题”取得的突破性进展，由天关、拉索两个项目团队合作完成，相关论文9月21日在专业学术期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》(英文版)上发表。

　　该项研究工作表明，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。

　　研究团队认为，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出新的观测证据，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。

　　7万秒观测新发现

　　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”。

PSR　J1740+1000的多波段示意图(左，拉索/XMM-Newton观测；右，拉索/天关观测)。天关/拉索联合团队 供图

　　研究团队指出，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。

　　研究团队介绍，PSR J1740+1000是一颗中年脉冲星。此前，欧洲空间局X射线多镜面任务-牛顿(XMM-Newton)已在其周围发现了一条数光年长的X射线尾迹。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。

　　天关卫星的风行天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。在本项研究中，通过约7万秒的观测，天关卫星发现，PSR J1740+1000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光年的距离上最长达到相当于约42光年。

　　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。

　　两种可能的解释

　　研究团队称，天关和拉索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。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，为本次发现的这条超长X射线尾迹确实由高能粒子延伸传播形成提供了有力证据。

　　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。然而，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。

　　对此，研究团队提出两种可能的解释：一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”；二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。

　　他们认为，虽然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——人们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”。

资料图：客机上航拍建设中的拉索全景。中新网记者 孙自法 摄

　　研究团队表示，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，让科学家们沿着一条长达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。

　　这不仅展示出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、如何传播提供新的观测窗口。(完)