天关拉索联手！一条42光年长尾，揭开宇宙高能粒子传播之谜

南都讯 记者吕虹 发自重庆 近日，我国研究团队利用“天关”卫星（爱因斯坦探针卫星）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，发现一条延伸约42光年的超长X射线尾迹——这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。该尾迹与“拉索”探测到的超高能伽马射线辐射沿同一方向延伸，空间上高度吻合。

图 1 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）。

高能宇宙线的起源、加速和传播，被称为天体物理的“百年谜题”。拉索能探测宇宙中能量极高的伽马射线，近年却发现一批“无主”源——附近没有明显天体可作为“加速器”。一种可能是：高能粒子离开加速源后已传播很远，直到远离源头的位置才产生可探测的伽马射线。而要验证这一点，关键在于找到粒子从哪里来、如何传播。

答案由天关卫星揭晓。此次研究中，“天关”和“拉索”两个项目的联合合作团队观测的脉冲星PSR J1740+1000是一颗中年脉冲星。此前，欧洲空间局XMM-Newton望远镜已在这颗中年脉冲星周围发现一条数光年长的X射线尾迹，拉索探测到的超高能伽马射线恰好位于尾迹延伸方向上。天关搭载的“风行天”X射线望远镜视场大、本底低，擅长寻找暗弱弥漫结构。通过约7万秒观测，团队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延伸，最长约32角分（约为月亮角直径），相当于约42光年——看到的并非脉冲星附近的“小尾巴”，而是一条跨越数十光年的巨大高能粒子传播痕迹。

更关键的是，X射线与伽马射线不只空间位置吻合，辐射性质也可由同一批高能电子解释：电子沿尾迹传播时在磁场中产生同步辐射，一部分以X射线形式被天关捕获；同时与星际空间中的低能光子相互作用，将其提升到极高能量，形成拉索看到的超高能伽马射线。两种辐射就像在不同波段记录下同一批高能粒子留下的“足迹”。

为何粒子能“走”这么远？通常高能粒子进入星际空间后会受磁场扰动、逐渐向各方向扩散，但这次在42光年尺度上仍保持明显传播方向。研究团队提出两种可能：一是星际磁场具有较强有序性，粒子沿磁场方向传播，如同行驶在一条狭长“磁轨道”上；二是脉冲星风云尾部存在持续外流的物质，将粒子携带到远处，仿佛高压水枪。目前尚不能确定哪种机制占主导，但都指向同一事实——粒子离开脉冲星风云后，并不会在很短距离内就完全“随机散开”。

通常情况下，高能粒子进入星际空间后会受到磁场扰动，并逐渐向各个方向扩散。但此次观测显示，在长达42光年的尺度上，高能粒子仍保持明显传播方向。研究人员提出两种可能解释：一是星际磁场具有较强有序性，高能粒子沿磁场方向传播，垂直方向运动受抑制，如同一条狭长的磁轨道；二是脉冲星风云尾部存在持续外流物质，将高能粒子携带到远处，类似高压水枪。目前尚不能确定哪种机制占主导，但两种解释都指向同一事实——粒子离开脉冲星风云后，并不会在很短距离内就完全“随机散开”。

这为寻找超高能伽马射线源提供了新视角：如今看到的辐射位置，很可能只是粒子长途旅行中的“足迹”，而非“出生地”。同期评述文章评价道：“这一发现的意义超越了PSR J1740+1000本身——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。”

“这项成果的发布具有划时代的意义。”中国科学院院士、拉索首席科学家曹臻认为，它改变了天体物理领域的惯性思维，堪称“梦想级的罕见事件”，“两个装置独自做不到的观测，完美实现了1+1>2”。天关卫星首席科学家袁为民表示，这释放出一个信号：中国主导的国际领先大科学装置之间的强强联合，已开始携手挑战基础研究和交叉研究领域的重大科学问题。

值得一提的是，此次“风行天”在有效面积不到XMM-Newton四分之一、观测时间不到其六分之一的情况下，看到了延展得多、暗弱得多的尾巴。由于两台装置均由高能所粒子天体中心和粒子天体物理全国重点实验室牵头研制运行，可直接协调资源、以共同作者形式发表成果，开创了国内大科学装置深度协同的新机制。据悉，本次发布的只是第一期成果，第二篇论文已在投稿，团队正推动多台装置围绕同一目标的联合观测从罕见事件变成常态。