在传统认知里，宇宙线离开源头后，会像烟花一样朝四面八方均匀散开。然而，我国天关卫星与高海拔宇宙线观测站“拉索”的联合观测，却看到了另一番景象：在一颗脉冲星周围，高能粒子并没有立即四散，而是像列车一样，沿着一条狭窄“轨道”定向疾驰了约42光年。这一发现首次清晰揭示出宇宙线定向传播新机制，直接挑战了“各向同性扩散”的经典假设。相关研究成果21日发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》（英文版）。
宇宙线是来自太空的高能带电粒子。它们可以在脉冲星、黑洞等极端天体附近被加速到接近光速，然后穿行于星际空间。但宇宙线带电，在磁场中会不断拐弯，科学家很难直接判断它们从哪里来。好在这些高能粒子在传播过程中会发出X射线和伽马射线，而这些光沿直线传播，可以帮我们反推高能粒子的“出发地”和“行走路线”。
此次，我国科研人员瞄准了一颗距地球约4600光年的脉冲星，编号PSR J1740+1000。此前，有卫星在这颗脉冲星附近发现一条数光年长的X射线尾迹，“拉索”也在同一方向探测到超高能伽马射线。但两者位置似乎对不上，有人猜测中间可能还存在额外的加速过程。
转机来自天关卫星。它搭载的风行天X射线望远镜，最大本事是“看得广、看得暗”。经过约7万秒观测，它发现这条X射线尾迹长达42光年，是目前已知最长的X射线脉冲星风云尾迹。与此同时，“拉索”把1900多天的数据叠加分析后发现，X射线和伽马射线不仅位置能对应上，还能用同一批高能电子来解释。
紫色为“拉索”观测到的超高能伽马射线辐射，蓝色是天关卫星观测的X射线脉冲星风云的完整尾迹。图片来源：中国科学院高能物理研究所
“这些电子在脉冲星附近被加速，沿尾迹一路奔跑。途中，它们在磁场中发出X射线，又和空间中的低能光子碰撞，产生拉索能捕捉的超高能伽马射线。两种辐射，就像同一批粒子在不同波段留下的足迹。”论文通讯作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员冯骅解释，这条尾迹长达42光年，且方向与伽马射线高度一致，意味着高能粒子离开脉冲星后，并没有像过去认为的那样很快四散，而是在很长距离上保持着定向传播。
冯骅表示，这一发现改变了寻找超高能伽马射线源的思路，如今看到的辐射位置，可能只是粒子长途旅行中的“驿站”，而非“出生地”。天关卫星与“拉索”的这次联手，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，打开了一扇新的观测窗口。
◎ 科技日报记者 陆成宽