一条长达42光年的X射线尾迹，让我们得以追踪宇宙高能粒子在星际空间中的漫长旅程。
高能宇宙线的起源、加速和传播问题，被称为天体物理中的"百年谜题"。近日，研究团队利用我国天关卫星（爱因斯坦探针，EP）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（图1）。
这一发现表明，脉冲星风云中产生的高能粒子离开源头后，并没有立即向各个方向均匀扩散，而是能够沿一定方向传播数十光年。这为理解高能粒子如何离开加速天体、又如何在星际空间中传播提供了新的观测证据，也为解释一些缺少明确天体对应物的超高能伽马射线源提供了新的思路。
该工作发表在我国科技期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》（英文版），通讯作者为南京大学的博士研究生池奕恒及其导师周平副教授，柳若愚副教授，以及中国科学院高能物理所的席绍强副研究员和冯骅研究员（排名不分先后）。同期，意大利国家天体物理研究所（INAF）的Gabriele Ponti等人撰写专题评述文章，对该研究进行了介绍和评述。
拉索发现的"无主"伽马射线源
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。这些高能粒子在星际空间中的传播形迹可以由它们辐射出的X射线、伽马射线等电磁辐射反映。
拉索是世界上目前工作能段最高的伽马射线望远镜，能够探测来自于能量超过千万亿电子伏特（PeV）的高能粒子产生的辐射。近年来，拉索在银河系中发现了数十个超高能伽马射线源，而其中大多数尚未找到确切的加速天体。这些超高能伽马射线的源头是什么，是当前宇宙线科学的一个核心问题。
对于伽马射线源缺失源头这一问题，一个可能的解释是，高能粒子在离开加速源后已经传播了很远，直到远离源头的位置才产生我们能够探测到的伽马射线。要理解这种现象，关键就在于找到高能粒子从哪里来，以及它们究竟如何传播。
天关发现隐藏的42光年长尾
PSR J1740+1000是一颗中年脉冲星。此前，XMM-Newton已经在它周围发现了一条数光年长的X射线尾迹；与此同时，拉索在它附近发现了一个明亮的伽马射线源。X射线尾迹和伽马射线都反映了对应区域存在着超高能电子，但是令人费解的是，伽马射线源似乎出现在脉冲星尾迹的延长线上，两个波段的观测似乎存在着明显的"错位"。
天关卫星的X射线望远镜具有较大的视场和较低的本底，非常适合在较大天空区域寻找暗弱的弥漫X射线结构。通过约7万秒的观测，天关卫星发现，这条尾迹远比此前看到的更长：它从脉冲星附近一路向西南方向延伸，穿过伽马射线辐射的中心，最远端达到约32角分，和月球的角直径相当。在脉冲星所在的4600光年的距离上，这相当于约42光年的长度。
这意味着，我们看到的并不是一个只存在于脉冲星附近的"小尾巴"，而是一条跨越数十光年的巨大高能粒子传播痕迹，X射线和伽马射线"错位"的问题也就自然消失了。天关卫星看到的这条尾迹，也是迄今已知脉冲星后最长的X射线尾迹。
X射线和伽马射线来自同一批粒子
在这项研究中，拉索积累了更长时间的数据，发现伽马射线的辐射也是延展的，并且与X射线具有一致的形态。在能谱上，X射线和伽马射线也可以很好地对应于同一批超高能电子的多波段辐射。
超高能电子在星际空间中传播时，会在磁场中运动并产生同步辐射，其中一部分以X射线的形式被天关探测到。与此同时，这些高能电子还会与宇宙空间中原本存在的低能光子发生相互作用，将低能光子提升到极高能量，产生拉索探测到的超高能伽马射线。
因此，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"。拉索和"天关"看到的尾迹反映了电子在脉冲星附近被加速后，并非随机四散开来，而是沿着一个固定方向传播了42光年的距离。
高能粒子为何能"走"这么远
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。但这次观测显示，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高度的有序性，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高速物质流，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
这一结果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后的"终点站"，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。
文章链接：https://www.sciengine.com/SCPMA/doi/10.1007/s11433-026-3098-2