宇宙中跑得最快的粒子从哪里出发，又如何穿越银河系来到地球？最近，这道天体物理领域的“百年谜题”的求解进程，被中国科学家向前推了一大步。
9月21日，中国科学院高能物理研究所与南京大学联合宣布：我国天关卫星与高海拔宇宙线观测站拉索（LHAASO）首度牵手，在一颗距离地球约4600光年的脉冲星周围，发现了一条长达42光年的超长X射线尾迹。
这条此前从未被完整看到过的X射线尾迹，让科学家得以追踪宇宙高能粒子在星际空间中的漫长旅程。相关成果发表于我国科技期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》（英文版）。同期，意大利国家天体物理研究所多位专家为此撰写专题评述文章。
“无主”伽马射线与42光年“长尾”
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。
“近年来，拉索在探测高能宇宙线的过程中，发现了一批‘无主’的超高能伽马射线。”论文通讯作者之一、高能所研究员冯骅介绍，它们的来源附近并没有明显的天体可作为“加速器”。“有一种可能是，这些伽马射线是在高能粒子离开加速源很远之后才产生的。”
那么，是什么触发这些高能粒子发出伽马射线的？我国天关卫星发现了答案。它在观测一颗编号为PSR J1740+1000的中年脉冲星时，在其附近发现了长达42光年的X射线尾迹。
这颗脉冲星距离地球4600光年，在高速穿行于星际空间时，会在轨道前方犁出一道弓形激波，把星风裹成彗星状长尾，即脉冲星风云尾迹。
J1740+1000的多波段观测图像。紫色表示拉索探测到的超高能伽马射线辐射，红色显示欧洲XMM-Newton卫星测得的脉冲星风星云部分X射线尾迹（左），蓝色则为天关卫星观测到的完整X射线尾迹（右）。尽管XMM-Newton的观测时间是Einstein Probe的六倍以上，但仅探测到了尾迹的一小部分。（图像处理：南京大学池奕恒）
“此前，欧洲的望远镜已在那里看到一条数光年长的X射线尾迹。”论文通讯作者之一、南京大学博士生池奕恒介绍，但天关卫星在进行了约7万秒的观测后发现，它的真实全长竟有约42光年！
这意味着，科学家看到的是一条跨越数十光年的巨大高能粒子传播痕迹——这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。
更特别的是，这条X射线尾迹竟与超高能伽马射线在天空中的位置相对应，它们的辐射性质也可以由同一批高能电子解释。研究团队认为，两者可能来自同一批高能电子——这些电子沿尾迹传播时，在磁场中运动、产生同步辐射，一部分以X射线的形式被天关探测到；与此同时，它们与星际空间中的低能光子相互作用，大幅提升这些低能光子的能量，产生了拉索看到的超高能伽马射线。这相当于天关与拉索在不同波段记录下了同一批高能粒子留下的“足迹”。
“这些证据给了我们一个反常识的结论。”冯骅语气中充满兴奋，“那就是，高能粒子离开脉冲星风云后，并没有立即向各方向均匀扩散，而是能沿一定方向传播数十光年”。而过去，科学家通常假设高能粒子在开启宇宙之旅后，就无差别地向各个方向扩散。
天地联手实现“梦想级观测”
研究团队为何会想到让拉索与天关卫星联手观测？
在四川稻城海拔4410米的海子山上，直径约1.3千米的拉索，是世界上探测超高能伽马射线面积最大、最灵敏的探测装置。尽管如此，它在该波段的空间分辨能力仍然有限。
拉索俯瞰图
“就好比老师在黑板上写字，突然听到底下有学生说话，等到转过头去，只能大概感觉声音传来的方向，却无法立刻确定是哪个学生。”冯骅说，为了看清这个源，他们在2022年前后，用攒了900天的数据，才第一次让它浮现，数据积累到1900天才隐约显现出一个长条形状。
“拉索就像一台固定在地面上的相机，想要看得更清，就得跳出大气层，去天上看。”负责伽马射线分析的高能所特聘青年研究员席绍强说，2024年1月发射的天关卫星，载有高能所牵头研制的后随X射线望远镜FXT，昵称“风行天”——它既能一次成像整个月面，也擅长从嘈杂背景中“捞起”暗弱弥散的结构。
天关卫星在轨示意图
这一次，“风行天”在有效面积不到欧洲XMM-Newton望远镜四分之一、观测时间不到六分之一的情况下，看到了延展得多、暗弱得多的尾巴。
两台装置的联手，开创了一种新的合作机制。按国际惯例，拉索新数据公布后，国外同行会竞相申请观测机会，往往一两年才有一次有效观测。而天关与拉索，都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并运行，在国内大科学工程的机制下，可直接协调资源、开展深度观测、以共同作者形式发表成果。
“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，在观测时间极为稀缺的天文界堪称“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则认为，这释放了一个信号：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。
把罕见观测“战役”变成常态
其实，这次发现还带了一个新的启示：过去我们所推断出的高能粒子“出生地”，很可能只是它们长途星际旅行中的一处“足迹”。
正如同期评述文章所写：“这一发现表明，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。”
高能粒子为什么没有四散行走，而是朝着差不多的方向“走”出很远？研究人员给出两种可能：一是星际磁场较有序，粒子沿磁场方向传播、垂直方向被抑制，相当于为粒子修了一条狭长的“磁轨道”；二是脉冲星风云尾部存在持续外流的物质，像高压水枪一样把高能粒子裹挟到远处。要进一步确定，还需更多观测数据。
据介绍，本次发布的只是第一期成果，第二篇论文已在投稿。曹臻透露，他正在推动更多设备、更大范围的合作观测，并形成一种可推广模式。“在时域天文研究中，多台装置围绕同一目标的联合观测‘战役’，有望从对罕见事件观测，变成一种常态。”
此外，这次论文的五位通讯作者中有多位年轻人——博士三年级的池奕恒负责X射线分析，负责伽马射线分析的席绍强，参加工作才第二年，已成长为拉索团队核心骨干；南京大学的周平、柳若愚两位年轻副教授分别把关X射线观测与理论。冯骅说，他的任务就是“把最优秀的年轻人集合起来”。
而且，团队把这一重要成果投给了我国本土科技期刊，国际同行随即为之撰写评述——中国的观测装置、中国的科技期刊，正在成为世界同行第一时间关注与讨论的现场。
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