拉索發現“天鷹助推器”，挑戰脈沖星風云加速粒子理論極限

日前，位于甘孜州稻城縣的國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（英文LHAASO，簡稱“拉索”）在天鷹座發現PSRJ1849-0001驅動的脈沖星風云的拍電子伏（PeV，1015eV）伽馬輻射，揭示該天體對粒子的加速效率逼近甚至超過理想磁流體條件下允許的理論極限，對經典脈沖星風云的粒子加速理論提出了嚴峻挑戰。

脈沖星風云是宇宙中高速旋轉的磁化中子星──脈沖星──向周圍空間吹出的接近光速的帶電粒子風（脈沖星風），與周邊介質猛烈撞擊后形成的壯觀高能天體。長期以來，銀河系內自轉減慢光度最高的脈沖星驅動的蟹狀星云（Crab Nebula），一直被視為高能天體物理中的標準燭光。

此前，拉索已經通過探測到來自蟹狀星云的PeV伽馬射線，推定其中粒子加速效率至少達到理論極限的16%，確立了其作為極端拍電子伏粒子加速器（PeVatron）的地位，引起了學界的廣泛關注與討論，被稱為是在伽馬射線波段蟹狀星云的兩大驚奇發現之一。

圖1天鷹助推器與拉索的藝術想象圖

圖2 PSR J1849-0001區域伽馬射線的能譜（即光子數量隨能量的變化圖），藍色點和紅色點分別表示拉索兩個子陣列的測量結果。

本次拉索的研究聚焦于另一個脈沖星風云系統PSR J1849-0001上（見圖1）。PSRJ 1849-0001位于天鷹座，其自轉減慢光度比蟹狀星云脈沖星低了大約50倍。在傳統的脈沖星風云演化與輻射模型中，較低的注入光度通常對應著較弱的高能輻射光度。然而，拉索能譜測量的結果顯示，該天體系統的伽馬射線能譜不僅以冪律形式延伸到2PeV，其PeV能段的伽馬射線光度甚至比蟹狀星云高出數倍（見圖2）。

圖3 在單區模型下，通過電子同步輻射和逆康普頓散射擬合PSR J1849-0001脈沖星風云的多波段能譜。不同顏色的虛線表示不同能量電子的貢獻。黑色曲線表示同步輻射和逆康普頓散射的總流量。紅色圓圈表示拉索測量值，并且最后三個數據點在圖中組合在一起。誤差條表示1σ不確定性，箭頭表示95%的上限。青色方塊顯示HESS的測量值。誤差條顯示了1σ流量的不確定性。品紅色點代表Chandra測量的X射線流量，不確定性為1σ。橙色上限是基于Fermi-LAT數據的95%置信水平的GeV（109eV）伽馬射線流量上限。

這表明該系統在將脈沖星風的能量轉化為超高能粒子方面，具有令人難以置信的效率。研究團隊結合了X射線等多波段的觀測結果，對該脈沖星風云內部的物理參數給出了嚴格的約束，指出星云內部的粒子加速效率至少達理論極限的27%，已經超過了蟹狀星云的限制。如果粒子是在傳統模型預期的終止激波處被加速到觀測所需的能量，則要求粒子加速效率必須超過100%！這一結果直接挑戰了脈沖星風云中現在的粒子加速理論。該脈沖星風云也因為其驚人的粒子加速效率獲得別稱：“天鷹助推器（Aquila Booster）”。

拉索的這項發現不僅為銀河系內的PeVatron候選體增加了一個極具研究價值的新案例，更揭示了在一個看似并不占優勢的脈沖星系統里，宇宙依然巧妙地打造出了一臺近乎超常發揮的極端粒子加速器。這暗示了如此極端的粒子加速效率可能并不局限于蟹狀星云這一相當特殊的天體，而是脈沖星風云這類天體所共有的特征。此項發現為完善脈沖星風云的理論圖景提供了重要的線索，并將推動理論天體物理學家重新審視相對論性等離子體中的粒子加速機制及基本物理過程。

來源：四川觀察 天府宇宙線研究中心

編輯：岳詩蕊

校對：馬儷伲

責編：楊雪

審核：李婭妮

監制：譚榮皓