LHAASO助力探测弓形激波尾部区域超高能伽马辐射

天文作为一门重观测的学科，多由观测引领后续的研究，只有足够精确的观测才能启发,验证相关物理理论的研究。对脉冲星风云的观测主要集中在辐射较亮的年轻脉冲星附近比如蟹状星云等，而中后期由于较弱的辐射，在各波段流强都较低。特别是弓形激波脉冲星风云只在较低能段如X-ray以下有所观测，尚未在伽马波段得到观测，一方面是因为地基的伽马探测器有着较差的空间分辨率无法很好的将伽马晕和弓形激波脉冲星风云的伽马辐射分开，另一方面X-ray较小的视场无法研究大尺度的辐射分布。而我们此次的观测发现的是一个伽马点源，位置和脉冲星有显著偏移，正好在尾部方向区域内，周围无其他伽马辐射源的干扰，很大概率上和弓形激波脉冲星风云成协，这意味着对其伽马波段辐射的研究成为了可能。

国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（英文LHAASO，简称“拉索”）以高显著性探测到脉冲星PSRJ1740+1000的弓形激波脉冲星风云尾部区域的超高能伽马射线辐射，首次发现弓形激波脉冲星风云尾部的伽马射线辐射，对弓形激波脉冲星风云尾部的粒子输运机制提出了挑战，预示着尾部区域存在强劲的粒子加速过程。该成果于2025年2月7日在综合性英文学术期刊《TheInnovation》（创新）上发表。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的“拉索”国际合作组完成，高能所的博士研究生徐仁峰、陈松战研究员、席绍强副研究员、胡世聪博士及南京大学的博士研究生汪凯、柳若愚研究员作为共同通讯作者。

导读

得益于LHAASO优异的灵敏度，我们第一次探测到来自于脉冲星J1740+1000弓形激波尾部区域的超高能伽马稳定辐射。传统的弓形激波脉冲星风云相关研究局限于射电和X射线波段，通过LHAASO的观测，填补了其在伽马波段的观测空白，为我们进一步探究中老年脉冲星弓形激波脉冲星风云的粒子输运，加速及辐射开启了新篇章。

图1图文摘要

随着新一代宇宙线探测大科学装置：高海拔宇宙线探测站(LHAASO)坐落于海拔4400余米的四川稻城海子山上，登高望远，人类的火眼金睛又明亮了几分。经过3余年的稳定运行，我们从浩如烟海的数据中敏锐地捕捉到来自数千秒差距之外的银盘之上，一颗孤独的脉冲星J1740+1000弓形激波脉冲星风云尾部发出的超高能伽马辐射，恰如黑暗的深夜中一只萤火虫在天空中划过，我们只看到它闪着亮光的尾巴。在远古的人类第一次看到这一幕时，他是不是也会好奇，到底是谁在黑夜中贡献了这么一缕亮光，会进一步问道为什么小小的虫子能在尾巴这里发出这么亮的光芒？

在我们的故事里，脉冲星J1740+1000就是这只萤火虫，和其他脉冲星喜欢聚集在银盘上不一样，这个孤独的脉冲星更像一个外来者，从遥远的银晕向着银盘奔赴而来。银河系中大部分物质都集中在银盘之上，许多脉冲星就在这里诞生。由于他们有着初始的自行速度，随着年龄的增大，一步步的远离故土，一点点变得暗淡。而J1740+1000作为一个中老年的脉冲星，老当益壮，源源不断地注入高能粒子，一路火花带闪电。由于其极快的自行速度，远超周围星际介质的声速，形成了子弹头形状的弓形激波，扫过和注入的粒子顺着流向身后，就像彗星一样拖着长长的尾巴。脉冲星的自转能损随着时间逐渐减小，因此年轻的脉冲星风云通常而言更为“明亮”，以往的研究更多的关注这些年轻的对象，2017年位于墨西哥的水切伦科夫探测器阵列(HAWC)国际合作组在Science上发文，指出中老年脉冲星Geminga周围存在大尺度的伽马晕，这种脉冲星周围慢扩散环境会减少传播到地球的正电子数量。这种全新的观测现象激发了人们对于这种中老年、已经离开或者接近离开宿主超新星遗迹，形成了弓形激波脉冲星风云的好奇心。结合现有的几个伽马晕的观测，人们猜测有很多高能的电子对从这些中老年脉冲星的弓形激波形态脉冲星风云中逃逸而出，在周围星际介质中慢扩散到较大的空间，和宇宙微波背景光子发生逆康普顿作用，产生高能的伽马光子，然后穿越万千光年到达地球为我们所观测到。

对于J1740+1000而言，一切又显得那么独特。我们并没有看到他周围延展的大尺度伽马晕。然而在X射线波段，研究者们早就观测到其弓形激波形态脉冲星风云的拖尾，证明该区域存在着高能的电子群，理论上也应该观测到其高能的伽马辐射。近期位于美国的大气切伦科夫望远镜VERITAS国际合作组尝试搜寻来自于包含J1740+1000在内等数个在X-ray波段存在显著弓形激波形态的脉冲星的尾部区域的伽马辐射，由于其较低的灵敏度，均未获得显著结果。通过对LHAASO精确数据的科学分析，我们排除了各种误差的可能性，高显著性地认证了在J1740+1000弓形激波尾部区域存在着显著的伽马辐射点源。我们精确的观测表明这些高能辐射可能源自于J1740+1000弓形激波脉冲星风云输运到尾部遥远区域，在尾部区域可能存在着一些再加速节点，或能通过磁重联再加速过程将电子加速到更高能量产生被我们观测到的伽马辐射。计算预测该区域依然有较强的X-ray辐射，为后续X-ray候随观测提供了有力的依据。我们的首次高显著性观测意味着对于弓形激波尾部伽马辐射的研究成为可能，相关多波段观测及深度的理论研究将会成为热点。

总结与展望

我们的观测发现了距离脉冲星较远的尾部区域存在超高能伽马辐射。这是LHAASO首次探测到来自于该类型天体尾部区域的伽马辐射。由于缺乏该区域的多波段辐射观测，特别是X射线波段的辐射观测，我们无法更加确凿地了解该区域的辐射起源。这意味我们对该现象的了解甚少，其存在的丰富的物理机制有待进一步研究。电子对如何从弓形激波脉冲星风云输运到远处并和伽马晕之间联系起来？能否在更远的地方被再加速？大延展的伽马晕出现是否还依赖于环境条件？随着LHAASO的数据不断累积，我们对高能伽马天空的观测愈加细致，相信不久的未来这些问题将以此为开端，慢慢揭开其神秘的面纱。