“拉索”“天关”联手，颠覆宇宙线传播传统认知

　　①“天关”卫星。

　　②“拉索”。

　　③脉冲星PSR J1740+1000的多波段示意图。研究团队供图

　　■本报记者 倪思洁

　　我国高海拔宇宙线观测站（以下简称“拉索”）与“天关”卫星两大天文设施首次“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42光年的X射线尾迹。相关研究成果9月21日发表于《中国科学：物理学力学天文学》（英文版）。该成果改变了研究人员过去对宇宙线传播的传统认知，首次以观测证据表明，高能粒子离开加速源后并非立刻向四面八方均匀扩散，而是能够沿一定方向“定向奔袭”数十光年。这次“牵手”，也为破解宇宙线起源与传播的“百年谜题”提供了全新视角。

　　意大利国家天体物理研究所的Gabriele Ponti等人在撰写的专题评述中指出，“识别高能粒子加速源只是问题的一部分，我们还必须理解粒子如何离开加速源并进入星际介质，这正是使伽马射线与X射线观测之间的互补性变得尤为强大的地方。”这支合作团队的研究“提供了一个清晰的示范”。

　　“拉索”的困惑：伽马射线源为何“找不到主”

　　宇宙线是来自太空的高能带电粒子，从1912年发现至今已百余年，但其起源、加速和传播仍是未解之谜。“拉索”是目前世界上最灵敏的超高能伽马射线望远镜，自运行以来发现了超过50个超高能伽马射线源。它们产生的超高能光子抵达地球并被“拉索”捕捉。然而，一个令人困惑的现象随之出现：部分伽马射线源附近，并没有明显的天体可以作为“源头”。

　　“这就像有个老师在黑板上写字，突然听到底下有学生说话，但转过头去，只能找到说话学生的大概方向，分辨不出究竟是哪个学生在捣乱。”中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）研究员冯骅说。

　　“拉索”在超高能波段的空间分辨率有限，无法像光学或X射线望远镜那样看清辐射源的精细结构。很多时候，“拉索”看到的伽马射线辐射是一团模糊的光斑，只能判断其中心位置和大致大小，看不清它的具体形状以及从哪里来。

　　此前，欧洲的XMM-Newton望远镜曾对一颗中年脉冲星PSR J1740+1000进行过观测，发现了一条数光年长的X射线尾迹。而“拉索”探测到的一个超高能伽马射线源恰好位于这条尾迹延伸的方向上。但问题是，XMM-Newton望远镜看到尾迹的具体位置与“拉索”伽马射线源的具体位置并不完全吻合，且存在明显偏离。

　　这引发了许多猜测：是不是高能粒子在尾迹中传播后，再次被其他东西加速，所以“跑偏”了？是不是观测到的伽马射线源中心并非粒子的“出生地”，而只是它们经过长途旅行后形成的“中转站”？

　　要回答这些问题，必须看清尾迹的真实形态，这就需要更高灵敏度、更大视场的X射线观测设备。“国际上现役的X射线望远镜，要么视场不够大，要么本底噪声太高，都无法胜任对如此弥散、暗弱结构的探测。”冯骅说。

　　“拉索”团队陷入了“看得见伽马射线，却看不清源头”的困境。

　　强强联合：高能粒子“定向奔袭”了42光年

　　转机出现在2024年初。我国“天关”卫星发射升空，它搭载了两组望远镜——宽视场X射线望远镜（WXT）和后随X射线望远镜（FXT）。前者的主要任务是巡天观测，遍寻宇宙中的可疑现象，后者则在前者找到观测目标后进行定点观测。其中，FXT由高能所牵头研制，被团队称为“风行天”，它拥有同类型望远镜中最大的视场和极低的粒子本底，特别适合观测大天区范围内暗弱的弥漫X射线结构。

　　“‘拉索’也拥有同类型观测站中最大的视场和极低的粒子本底，因此，如果把‘拉索’和‘风行天’结合起来，那就是全世界独一份儿的。”冯骅说。

　　在“拉索”首席科学家曹臻和“天关”卫星首席科学家袁为民的推动下，“天关”与“拉索”组成了联合研究团队，开启了一场科研接力——

　　“拉索”团队为“天关”团队提供了十多条具有代表性的超高能伽马射线源的观测信息；

　　“天关”团队对这些源进行观测后，发现观测图像受到较大的噪声干扰，来自仪器本身的各种特性也会导致测量结果偏离真值；

　　高能所“风行天”科学数据中心负责人贾淑梅带着标定团队，花了近一年时间，摸清仪器效率、扣除本底噪声；

　　最终，标定团队将数据交到有较好研究基础的南京大学团队手中进行细致分析和处理，终于得到尾迹的清晰图像。

　　结果令大家惊喜。“天关”看到了远比此前更延展、更暗弱的结构。

　　研究团队发现，这条X射线尾迹从脉冲星附近一路向西南方向延伸，最长达到约32角分，在4600光年的距离上相当于约42光年，是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。更重要的是，“拉索”的伽马射线辐射在空间形态上与这一X射线尾迹高度一致。

　　研究结果还显示，“天关”看到的X射线和“拉索”看到的伽马射线可以由同一群高能电子解释。这群电子在脉冲星风云中被加速到极高能量，沿尾迹传播时在磁场中产生X射线，同时与星际空间中的低能光子发生相互作用，产生超高能伽马射线。两种辐射出来的射线就像同一批高能粒子在不同波段留下的“足迹”。

　　这项成果颠覆了人们对宇宙线传播模式的传统认知。高能所特聘青年研究员席绍强介绍，长期以来，科学家普遍假设高能粒子离开加速源后会像烟雾一样各向同性地向四面八方随机游走，但这次观测显示，在长达42光年的尺度上，高能粒子仍保持着明显的传播方向，就像一种“定向奔袭”。

　　研究团队提出了两种可能的解释。一种是星际空间中的磁场具有较强的有序性，高能粒子沿磁场方向传播，相当于修建了一条狭长的磁轨道；另一种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。

　　“梦想级”事件：加速产出重要科研成果

　　回看研究历程，曹臻说：“这充分体现了‘天关’卫星独特设计带来的宽视场和低噪声的巨大优势，是两个装置独自不能实现的，完美体现了‘1+1>2’的合作成效。”

　　曹臻将此次两个装置的合作称为“梦想级的罕见事件”。“以往，我们针对‘拉索’新发现的源开展多波段分析时，会立刻搜索一系列著名的X射线卫星实验的公开存档数据，同时向这些卫星实验提出观测申请，接着会陷入堪称惨烈的有限观测资源的竞争，往往在一年到两年的时间尺度上才能实现一次有效观测。”曹臻说，这次“天关”直接与“拉索”联合开展深度观测研究，不但大大提速，还获得了重要的科学发现。

　　袁为民则用“一个超级研究团队”来形容此次合作。

　　“这项成果释放出一个信号，即中国主导的国际领先大科学装置之间的强强联合，已经能够挑战一些基础研究和交叉科学领域的重大科学问题。”袁为民表示，他对未来“天关”与“拉索”合作取得更多、更大的成果充满信心。

　　冯骅表示，这次合作的成功得益于顶层设计层面的机制保障，也为后续大科学装置之间的合作共享提供了经验。

　　“每个科学家的兴趣可能不同，但面对重大科学问题，需要大家集中精力攻关。同时，我们需要一些‘顶层’鼓励机制，促成装置和装置之间的合作。”冯骅说。

　　目前，“拉索”已联合“天关”“中国天眼”“银河画卷”等不同波段天文设施形成新的队伍，对重要科学问题进行攻关。

　　“未来，随着更多大科学装置加入这种建制化合作模式，中国天文学家有望在时域天文、宇宙线物理等前沿领域取得更多‘1+1>2’的重大成果。”冯骅说。