中国科学家发现宇宙最长X射线尾迹 助力破解天体物理“百年谜题”

宇宙中的高能粒子从哪里来？又如何在宇宙中穿梭？这是天体物理领域的“百年谜题”。

近日，研究团队利用我国天关卫星（爱因斯坦探针）与高海拔宇宙线观测站（拉索，LHAASO）的联合观测，在一颗距离地球约4600光年的脉冲星周围发现了一条此前未被完整看到的超长X射线尾迹。尾迹延伸约42光年，并与拉索探测到的超高能伽马射线辐射沿同一方向延伸，在空间上高度吻合。

这是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹，也让中国科学家离解开“百年谜题”更近一步。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。

J1740+1000 的多波段示意图。紫色为拉索测到的超高能伽马射线辐射，红色是 XMM - Newton 卫星测到的 X 射线脉冲星风云的局部尾迹（左图），蓝色是天关卫星观测的 X 射线脉冲星风云的完整尾迹（右图）。

“无主 ”伽马射线和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。

拉索能够探测宇宙中能量极高的伽马射线，但其中部分源附近并没有明显的天体可以作为“源头 ”。

此次研究中的脉冲星PSR J1740+1000是一颗中年脉冲星。天关卫星通过约7万秒的观测发现，这条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（约为月亮角直径），在4600光年的距离上相当于约42光年，是一条跨越数十光年的巨大高能粒子传播痕迹，这也是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。

这次联合观测发现，X射线和伽马射线就像是在不同波段记录下同一批高能粒子留下的“足迹 ”。两种辐射的空间位置和能谱能够相互对应，为这条超长尾迹确实由高能粒子延伸传播形成提供了有力证据。

高能粒子为何能“走 ”这么远

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。

通常情况下，高能粒子进入星际空间后会不断受到磁场扰动，逐渐向各个方向扩散。但此次联合观测显示，在长达42光年的尺度上，高能粒子仍然保持明显的传播方向。

研究人员提出了两种可能的解释。一种可能是，星际空间中的磁场具有较强的有序性，高能粒子能够沿着磁场方向传播，而垂直于这一方向的运动受到抑制，相当于修建了一条狭长的“磁轨道 ”。另一种可能是，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，仿佛高压水枪一般。

目前还不能确定究竟是哪一种机制占主导，但两种解释都指向同一个重要事实：高能粒子离开脉冲星风云后，并不会总是在很短距离内就完全“随机散开 ”，而可能在相当长的距离内保留自身的传播方向。

为寻找超高能伽马射线源提供新视角

此次观测也为理解银河系中的超高能伽马射线源提供了新的视角：我们现在看到的辐射位置，很可能只是粒子长途旅行中的“足迹 ”，而不是它们的“ 出生地 ”。 正如同期评述文章评价道：“这一发现的意义超越了PSR J1740+1000本身——它表明，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。 ”

此次天关与拉索的联合观测，将X射线和超高能伽马射线两种不同波段的观测连接起来，让科学家能够沿着一条长达42光年的尾迹，追踪高能粒子从脉冲星附近一路传播到远方的过程。这不仅展示了空间和地面高能观测设备协同工作的独特优势，也为研究极端天体产生的高能粒子如何逃离源头、如何在银河系中传播提供了新的观测窗口。

责任编辑：朱张津