避开有限观测资源的惨烈竞争，两大装置联手产出颠覆性成果
避开有限观测资源的惨烈竞争，两大装置联手产出颠覆性成果
9月21日，我国高海拔宇宙线观测站（以下简称“拉索”）与“天关”卫星，在《中国科学：物理学力学天文学》（英文版）上，联合发布了一项成果：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X射线尾迹。
该成果改变了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。
值得关注的是，这是我国两大天文设施的首次“牵手”，这一行动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等人撰写专题评述指出，“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”，他认为，这支合作团队的研究“提供了一个清晰的示范”。
“拉索”。“拉索”团队供图
“天关”卫星。“天关”卫星团队供图
“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，1912年被发现至今已百余年，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，自运行以来已发现了超过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”捕捉到。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”。
“就好比有个老师在黑板上写字，突然听到底下有学生说话，但他转过头去，只能大概感觉到说话的学生在某个方向，不能分辨出究竟是哪个学生在捣乱。”中国科学院高能物理研究所研究员冯骅这样比喻。
“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，看不清它究竟长什么形状、从哪里来。
此前，欧洲的XMM-Newton望远镜卫星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。“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，又再次被其他什么东西加速了一下，所以‘跑偏’了？抑或是我们看到的伽马射线源中心根本就不是粒子的‘出生地’，而只是它们经过长途旅行后形成的‘中点站’？”
要回答这些问题，必须看清尾迹的真实形态，这就依赖于更高灵敏度、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”的困惑。
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。图片来源：XMM-Newton卫星、“拉索”、帕洛玛天文台、南京大学
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）。工作时，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。
另一方面，“‘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，那就成了全世界的独一份儿。”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”团队与“拉索”团队结合，形成了联合研究团队。
之后的研究，像是开启了一场科研团队间的接力——
“拉索”团队为“天关”团队提供了十多个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，南京大学博士研究生池奕恒进行了细致的分析和处理，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，会像烟雾扩散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。