天上卫星和地面望远镜联手 破解宇宙线“百年谜题”

在距离地球约4600光年处，有一颗每秒自转约6.5圈的脉冲星。它像一台天然粒子加速器，把电子加速到极高能量。这些电子离开脉冲星后，并没有像烟一样四散，而是沿着一条看不见的“磁轨道”列队奔跑了约42光年——这是我国“天关”卫星与高海拔宇宙线观测站（以下称“拉索”）首次联手观测到的景象。

“这就像在烟雾里开手电筒，能看到一个光柱。X射线和伽马射线就是我们看到的光柱，而脉冲星就是那个手电筒。”南京大学博士研究生池奕恒说。中国科学院高能物理研究所研究员冯骅解释道：“以前没有观测证据，只能假设宇宙线一出源就四散；这次发现，说明至少在相当长一段距离内，它是定向传播的。”

拉索建在四川稻城海拔4410米处，是目前世界上灵敏度最高的超高能伽马射线探测器之一；“天关”卫星在太空轨道上，像一台给宇宙拍X光片的“相机”。一个天上、一个地下，观测能区跨越10多个数量级。这次“手牵手”，让科学家沿一条42光年的X射线尾迹，追踪到高能粒子从脉冲星附近一路传播到远方的过程。这一发现，为破解宇宙线起源、加速和传播的百年谜题提供了新线索。

宇宙线是1912年通过热气球发现的。当时科学家飞到高空，发现太空中有大量能量极高的带电粒子。100多年过去，它们从哪里来、如何被加速，又怎样传到地球，仍是未解之谜。

据冯骅介绍，拉索直径1.3公里，运行后，已发现70多个超高能伽马射线源，但其中一些源附近并没有明显的天体可以作为“源头”。冯骅说，拉索定位精度有限，“就像老师听到教室后面有学生说话，只能感觉大概方向，分不清是哪个学生。”要找到源头，就得请X射线望远镜来“逮人”。

中国科学院高能物理研究所研究员熊少林告诉记者，“天关”卫星和拉索，一个天上一个地下，观测能区跨越10多个数量级。“天关”卫星2024年初发射，学名爱因斯坦探针，主要探测宇宙中变化最快的X射线爆发。这次研究用的是“天关”卫星上的后随X射线望远镜，昵称“风行天”。冯骅表示，“风行天”视场大、在轨道上粒子本底非常低，把这两项能力结合起来，“成了全世界的独一份儿”，特别适合观测暗弱的弥漫X射线结构。

为什么找源头这么难？池奕恒解释说，宇宙线带电，在星际磁场中会不断偏折，不像光一样走直线。我们在地球上看到的宇宙线，在银河系里传播了上百、上千光年后，已经失去了最初的方向信息。但幸运的是，高能粒子在路上会辐射出X射线、伽马射线，这些光沿直线传播，可以用来反推加速工厂的位置。

这次研究的目标，是一颗名叫PSR J1740+1000的脉冲星。池奕恒说，它距地球约4600光年，每秒钟自转约6.5圈，每秒钟释放的能量约是太阳发光发热总能量的100倍。此前，欧洲XMM-Newton望远镜在它周围看到一条数光年长的X射线尾迹，拉索又在尾迹延伸方向看到超高能伽马射线。冯骅接着说，一开始两者似乎对不上，后来发现不是错位，而是XMM-Newton灵敏度有限，只看到了尾巴最亮的一小段。

普通X射线望远镜要拍月亮，很难一次包含整个月面；“风行天”一次观测就能把整个月面装进去。更关键的是，它噪声低，能看清非常暗弱、非常弥散的结构。而与国际同类望远镜相比，“风行天”单次能覆盖更大天空范围，而且低本底让它能看到钱德拉、XMM-Newton等望远镜容易忽略的暗弱结构。

“天关”卫星用约7万秒观测，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方向延伸，最长约32角分，约为月亮角直径。在4600光年的距离上，这相当于约42光年。池奕恒说：“这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。”

拉索这边，据中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员席绍强介绍，团队把近1900多天的数据叠加在一起，发现伽马射线不再是一个圆点，而是一条约0.6度长的“长条”。他打了个比方：这就像用照相机拍照，曝光短了什么都看不见，曝光长一点，才看出模糊的东西，再长一点，才看清是个长条状的东西。

冯骅补充道，XMM-Newton的有效面积比“风行天”大4倍多，观测时间多6倍多，两者结合的有效曝光高出20到30倍，却仍然只能看到尾迹最亮的一小部分。“风行天”在曝光面积不到XMM-Newton四分之一、观测时间不到六分之一的情况下，看到了更延展、更暗弱的结构。这其中，中国科学院高能物理研究所研究员陈勇负责“风行天”仪器总体，研究员贾淑梅负责本底和仪器标定，池奕恒完成了X射线数据分析。

编辑：HN008