一条长达42光年的X射线尾迹，让我们得以追踪宇宙高能粒子在星际空间中的漫长旅程。
图 说： 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。
高能宇宙线的起源、加速和传播问题，被称为天体物理中的“百年谜题”。近日，中国科学院高能物理研究所与南京大学联合团队利用我国天关卫星（爱因斯坦探针）与高海拔宇宙线观测站（拉索，LHAASO）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。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。这一发现表明，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，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。
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）。
发现“无主”伽马射线和42光年X射线尾迹
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”。
“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。”中国科学院高能物理研究所研究员冯骅说，“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。”
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。
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，我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。”南京大学博士研究生池奕恒说。
X射线和伽马射线来自同一批粒子
此次联合观测的关键，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。
“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。”冯骅说。
高能粒子为何能“走”这么远？
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。
池奕恒说：“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。”
为寻找超高能伽马射线源提供新视角
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：我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”。正如同期评述文章评价道：“这一发现的意义超越了PSRJ1740+1000本身——它表明，超高能伽马射线源与其候选天体之间的空间偏移，未必意味着错误的关联，而可能恰恰追踪了粒子离开加速天体后的传播路径。”
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，让科学家能够沿着一条长达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。这不仅展示了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、如何在银河系中传播提供了新的观测窗口。
来源：人民日报客户端
