中新網(wǎng)北京9月21日電 (記者 孫自法)高能宇宙線的起源、加速和傳播問題，被稱為天體物理學的“百年謎題”，一直以來備受關注。

　　42光年X射線尾跡

　　中國天關衛(wèi)星(愛因斯坦探針，英文縮寫EP)、高海拔宇宙線觀測站(英文縮寫LHAASO，中文昵稱“拉索”)最近強強聯(lián)手，“雙劍合璧”觀測到宇宙中一條長達42光年的超長X射線尾跡——也是目前已知最長的X射線脈沖星風云尾跡，讓科學家們得以追蹤宇宙高能粒子在星際空間中的漫長旅程。

　　被戲稱為“揪出狐貍尾巴”的該超長X射線尾跡，發(fā)現(xiàn)于一顆距離地球約4600光年的脈沖星周圍，尾跡延伸約42光年，并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。

　　這一破解天體物理學“百年謎題”取得的突破性進展，由天關、拉索兩個項目團隊合作完成，相關論文9月21日在專業(yè)學術期刊《中國科學：物理學 力學 天文學》(英文版)上發(fā)表。

　　該項研究工作表明，脈沖星風云中產生的高能粒子離開源頭后，并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(shù)十光年。

　　研究團隊認為，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出新的觀測證據(jù)，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。

　　7萬秒觀測新發(fā)現(xiàn)

　　宇宙中存在大量能量極高的粒子，它們可以在超新星遺跡、脈沖星、黑洞等極端天體附近被加速到接近光速，并在離開這些天體后繼續(xù)穿行于星際空間。

　　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(fā)現(xiàn)一批超高能伽馬射線源，但其中部分源附近并沒有明顯的天體可以作為“源頭”。

　　研究團隊指出，這并不意味著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后已經傳播了很遠，直到遠離源頭的位置才產生能夠探測到的伽馬射線。要理解這種現(xiàn)象，關鍵就在于找到高能粒子從哪里來，以及它們究竟如何傳播。

　　研究團隊介紹，PSR J1740+1000是一顆中年脈沖星。此前，歐洲空間局X射線多鏡面任務-牛頓(XMM-Newton)已在其周圍發(fā)現(xiàn)了一條數(shù)光年長的X射線尾跡。同時，拉索發(fā)現(xiàn)的超高能伽馬射線輻射則位于這條尾跡延伸的方向上。

　　天關衛(wèi)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(qū)域尋找暗弱的彌漫X射線結構。在本項研究中，通過約7萬秒的觀測，天關衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，PSR J1740+1000尾跡遠比此前看到的更長：它從脈沖星附近一路向西南方向延伸，在4600光年的距離上最長達到相當于約42光年。

　　這意味著，人們看到的并不是一個只存在于脈沖星附近的“小尾巴”，而是一條跨越數(shù)十光年的巨大高能粒子傳播痕跡。

　　兩種可能的解釋

　　研究團隊稱，天關和拉索這次聯(lián)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。

　　這些電子在脈沖星風云中獲得很高的能量，當它們沿尾跡傳播時，會在磁場中運動并產生同步輻射，其中一部分以X射線的形式被天關探測到。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(fā)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，為本次發(fā)現(xiàn)的這條超長X射線尾跡確實由高能粒子延伸傳播形成提供了有力證據(jù)。

　　通常情況下，高能粒子進入星際空間后會不斷受到磁場擾動，逐漸向各個方向擴散。然而，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。

　　對此，研究團隊提出兩種可能的解釋：一是星際空間中的磁場具有較強的有序性，高能粒子能夠沿著磁場方向傳播，而垂直于這一方向的運動受到抑制，相當于修建了一條狹長的“磁軌道”；二是脈沖星風云尾部存在持續(xù)向外運動的物質流，將高能粒子攜帶到遠處，仿佛高壓水槍一般。

　　他們認為，雖然目前還不能確定究竟是哪一種機制占主導，但兩種解釋都指向同一個重要事實：高能粒子離開脈沖星風云后，并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——人們現(xiàn)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”。

　　研究團隊表示，此次天關與拉索的聯(lián)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，讓科學家們沿著一條長達42光年的尾跡，追蹤高能粒子從脈沖星附近一路傳播到遠方的過程。

　　這不僅展示出空間和地面高能觀測設備協(xié)同工作的獨特優(yōu)勢，也為研究極端天體產生的高能粒子如何逃離源頭、如何傳播提供新的觀測窗口。(完)