國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站(英文LHAASO，簡(jiǎn)稱“拉索”)以高顯著性探測(cè)到脈沖星PSR J1740+1000的弓形激波脈沖星風(fēng)云尾部區(qū)域的超高能伽馬射線輻射，首次發(fā)現(xiàn)弓形激波脈沖星風(fēng)云尾部的伽馬射線輻射，對(duì)弓形激波脈沖星風(fēng)云尾部的粒子輸運(yùn)機(jī)制提出了挑戰(zhàn)，預(yù)示著尾部區(qū)域存在強(qiáng)勁的粒子加速過(guò)程。該成果于2025年2月7日在綜合性英文學(xué)術(shù)期刊《The Innovation》(創(chuàng)新)上發(fā)表。該研究工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的“拉索”國(guó)際合作組完成，高能所的博士研究生徐仁峰、陳松戰(zhàn)研究員、席紹強(qiáng)副研究員、胡世聰博士及南京大學(xué)的博士研究生汪凱、柳若愚研究員作為共同通訊作者。

脈沖星是超新星爆發(fā)中由前身大質(zhì)量恒星遺骸形成的一種高度磁化的旋轉(zhuǎn)中子星，脈沖星風(fēng)云是快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星驅(qū)動(dòng)相對(duì)論性粒子星風(fēng)沖擊外部物質(zhì)產(chǎn)生的風(fēng)云。脈沖星風(fēng)云的形態(tài)和輻射隨著時(shí)間的演化呈現(xiàn)不同特征。年輕的脈沖星位于超新星遺跡內(nèi)部，往往具有較高的自轉(zhuǎn)動(dòng)能，并驅(qū)動(dòng)強(qiáng)勁的脈沖星風(fēng)吹向四周，速度十分接近光速。星風(fēng)帶走脈沖星的自轉(zhuǎn)能，使得脈沖星自轉(zhuǎn)逐漸減慢，而星風(fēng)與脈沖星周邊物質(zhì)的猛烈碰撞將部分星風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高能粒子的能量，后者通過(guò)同步輻射、逆康普頓散射等過(guò)程產(chǎn)生從射電到伽馬波段的輻射，呈現(xiàn)出我們觀測(cè)到的風(fēng)云。當(dāng)脈沖星步入中老年，自轉(zhuǎn)能顯著降低，其產(chǎn)生的風(fēng)云中高能粒子的數(shù)量和最高能量也隨之降低，但是其過(guò)往加速的粒子會(huì)彌漫在周圍形成尺度達(dá)上百光年的伽馬射線暈。有部分脈沖星會(huì)離開(kāi)超新星遺跡直接和星際介質(zhì)相互作用，由于脈沖星本身的超聲速自行，形成類似“彗星”狀的弓形激波脈沖星風(fēng)云，這類特殊形狀的風(fēng)云尾部輻射在射電和X射線波段都有觀測(cè)，但是其伽馬射線輻射一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。

脈沖星PSR J1740+1000是一顆遠(yuǎn)離銀河星系盤(pán)的孤立脈沖星，距離地球4500光年，特征年齡11萬(wàn)年，是一顆中年脈沖星，在X射線波段清楚觀測(cè)到了弓形激波造成的“彗星”形狀。研究人員基于拉索1200天以上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)離該脈沖星約16光年處發(fā)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)狀超高能伽馬射線源(后簡(jiǎn)稱拉索源)，顯著性達(dá)到17倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。該測(cè)量結(jié)果一方面排除了大尺度伽馬射線暈的存在，說(shuō)明并非所有的中老年的脈沖星都會(huì)形成可觀測(cè)的伽馬射線暈，這可能與其所處的周圍環(huán)境有關(guān);另一方面，經(jīng)過(guò)仔細(xì)排查，該拉索源附近并不存在其它已知的天體可加速高能粒子。而十分巧合的是，該拉索源恰好處在脈沖星PSR J1740+1000的弓激波風(fēng)云尾部的延長(zhǎng)線上，這揭示了弓形激波脈沖星風(fēng)云尾部區(qū)域可以產(chǎn)生超高伽馬射線輻射。探測(cè)到的伽馬光子最高能量超過(guò)三百萬(wàn)億電子伏，說(shuō)明弓形激波脈沖星風(fēng)云尾部可能具有加速拍電子伏(PeV)粒子的能力，如圖1所示。

圖 1：弓形激波脈沖星風(fēng)云尾部再加速粒子產(chǎn)生的超高能伽馬輻射被拉索觀測(cè)示意圖

拉索位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，于2021年7月開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，是國(guó)際上領(lǐng)先的伽馬射線和宇宙線探測(cè)裝置。拉索國(guó)際合作組基于拉索實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已在多個(gè)物理方面取得重要成果，本次發(fā)現(xiàn)是拉索在伽馬射線天文方面取得的又一個(gè)重要成果。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等各項(xiàng)基金資助。