天關與拉索牽手　見證宇宙線「定向奔襲 」

（香港文匯報記者劉凝哲）高能宇宙線的起源、加速和傳播問題，被稱為天體物理中的「百年謎題」。近日，研究團隊利用我國天關衛星（愛因斯坦探針）與高海拔宇宙線觀測站（拉索，LHAASO）的聯合觀測，在一顆距離地球約4600光年的脈衝星周圍發現了一條此前未被完整看到的超長X射線尾跡。尾跡延伸約42光年，並與拉索探測到的超高能伽馬射線輻射沿同一方向延伸，在空間上高度吻合。

這一發現表明，脈衝星風雲中產生的高能粒子離開源頭後，並沒有立即向各個方向均勻擴散，而是能夠沿一定方向傳播數十光年。這為理解高能粒子如何離開加速天體、又如何在星際空間中傳播提供了新的觀測證據，也為解釋一些缺少明確天體對應物的超高能伽馬射線源提供了新的思路。

該工作發表在我國科技期刊《中國科學：物理學力學天文學》（英文版），通訊作者為中國科學院高能物理研究所與南京大學聯合團隊。同期，意大利國家天體物理研究所（INAF）的Gabriele　Ponti等人撰寫專題評述文章，對該研究進行了介紹和評述。

拉索發現的「無主」伽馬射線

宇宙中存在大量能量極高的粒子。它們可以在超新星遺蹟、脈衝星、黑洞等極端天體附近被加速到接近光速，並在離開這些天體後繼續穿行於星際空間。

拉索能夠探測宇宙中能量極高的伽馬射線，其中一些來自能量超過千萬億電子伏特（PeV）的高能粒子。近年來，拉索發現了一批超高能伽馬射線源，但其中部分源附近並沒有明顯的天體可以作為「源頭」。

這並不意味着這些伽馬射線沒有來源。一個可能的情況是，高能粒子在離開加速源後已經傳播了很遠，直到遠離源頭的位置才產生我們能夠探測到的伽馬射線。要理解這種現象，關鍵就在於找到高能粒子從哪裏來，以及它們究竟如何傳播。

天關發現隱藏的42光年長尾

PSRJ1740+1000是一顆中年脈衝星。此前，歐洲空間局X射線多鏡面任務-牛頓(XMM-Newton)已經在它周圍發現了一條數光年長的X射線尾跡；與此同時，拉索發現的超高能伽馬射線輻射則位於這條尾跡延伸的方向上。

天關衛星的風行天X射線望遠鏡具有較大的視場和較低的本底，非常適合在較大天空區域尋找暗弱的瀰漫X射線結構。通過約7萬秒的觀測，天關衛星發現，這條尾跡遠比此前看到的更長：它從脈衝星附近一路向西南方向延伸，最長達到約32角分（約為月亮角直徑），在4600光年的距離上相當於約42光年。這意味着，人們看到的並不是一個只存在於脈衝星附近的「小尾巴」，而是一條跨越數十光年的巨大高能粒子傳播痕跡。研究表明，這是目前已知最長的X射線脈衝星風雲尾跡。

X射線和伽馬射線來自同一批粒子

這次聯合觀測的關鍵，不只是X射線和伽馬射線在天空中的位置能夠對應起來，它們的輻射性質也可以由同一批高能電子解釋。這些電子在脈衝星風雲中獲得很高的能量。當它們沿尾跡傳播時，會在磁場中運動併產生同步輻射，其中一部分以X射線的形式被天關探測到。與此同時，這些高能電子還會與宇宙空間中原本存在的低能光子發生相互作用，將低能光子提升到極高能量，產生拉索探測到的超高能伽馬射線。

因此，X射線和伽馬射線就像是在不同波段記錄下同一批高能粒子留下的「足跡」。兩種輻射的空間位置和能譜能夠相互對應，為這條超長尾跡確實由高能粒子延伸傳播形成提供了有力證據。

高能粒子為何能「走」這麼遠

通常情況下，高能粒子進入星際空間後會不斷受到磁場擾動，逐漸向各個方向擴散。但這次觀測顯示，在長達42光年的尺度上，高能粒子仍然保持明顯的傳播方向。

研究人員提出了兩種可能的解釋。一種可能是，星際空間中的磁場具有較強的有序性，高能粒子能夠沿着磁場方向傳播，而垂直於這一方向的運動受到抑制，相當於修建了一條狹長的「磁軌道」。另一種可能是，脈衝星風雲尾部存在持續向外運動的物質流，將高能粒子攜帶到遠處，彷彿高壓水槍一般。目前還不能確定究竟是哪一種機制佔主導，但兩種解釋都指向同一個重要事實：高能粒子離開脈衝星風雲後，並不會總是在很短距離內就完全「隨機散開」，而可能在相當長的距離內保留自身的傳播方向。

這一結果也為理解銀河系中的超高能伽馬射線源提供了新的視角：科學家現在看到的輻射位置，很可能只是粒子長途旅行中的「足跡」，而不是它們的「出生地」。正如同期評述文章評價道：「這一發現的意義超越了PSRJ1740+1000本身——它表明，超高能伽馬射線源與其候選天體之間的空間偏移，未必意味着錯誤的關聯，而可能恰恰追蹤了粒子離開加速天體後的傳播路徑。」

此次天關與拉索的聯合觀測，將X射線和超高能伽馬射線兩種不同波段的觀測連接起來，讓科學家能夠沿着一條長達42光年的尾跡，追蹤高能粒子從脈衝星附近一路傳播到遠方的過程。這不僅展示了空間和地面高能觀測設備協同工作的獨特優勢，也為研究極端天體產生的高能粒子如何逃離源頭、如何在銀河系中傳播提供了新的觀測窗口。