拉索發(fā)現(xiàn)“天鷹助推器”，挑戰(zhàn)脈沖星風(fēng)云加速粒子理論極限

日前，位于甘孜州稻城縣的國(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(chēng)“拉索”）在天鷹座發(fā)現(xiàn)PSRJ1849-0001驅(qū)動(dòng)的脈沖星風(fēng)云的拍電子伏（PeV，1015eV）伽馬輻射，揭示該天體對(duì)粒子的加速效率逼近甚至超過(guò)理想磁流體條件下允許的理論極限，對(duì)經(jīng)典脈沖星風(fēng)云的粒子加速理論提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

脈沖星風(fēng)云是宇宙中高速旋轉(zhuǎn)的磁化中子星──脈沖星──向周?chē)臻g吹出的接近光速的帶電粒子風(fēng)（脈沖星風(fēng)），與周邊介質(zhì)猛烈撞擊后形成的壯觀高能天體。長(zhǎng)期以來(lái)，銀河系內(nèi)自轉(zhuǎn)減慢光度最高的脈沖星驅(qū)動(dòng)的蟹狀星云（Crab Nebula），一直被視為高能天體物理中的標(biāo)準(zhǔn)燭光。

此前，拉索已經(jīng)通過(guò)探測(cè)到來(lái)自蟹狀星云的PeV伽馬射線，推定其中粒子加速效率至少達(dá)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(xué)界的廣泛關(guān)注與討論，被稱(chēng)為是在伽馬射線波段蟹狀星云的兩大驚奇發(fā)現(xiàn)之一。

圖1天鷹助推器與拉索的藝術(shù)想象圖

圖2 PSR J1849-0001區(qū)域伽馬射線的能譜（即光子數(shù)量隨能量的變化圖），藍(lán)色點(diǎn)和紅色點(diǎn)分別表示拉索兩個(gè)子陣列的測(cè)量結(jié)果。

本次拉索的研究聚焦于另一個(gè)脈沖星風(fēng)云系統(tǒng)PSR J1849-0001上（見(jiàn)圖1）。PSRJ 1849-0001位于天鷹座，其自轉(zhuǎn)減慢光度比蟹狀星云脈沖星低了大約50倍。在傳統(tǒng)的脈沖星風(fēng)云演化與輻射模型中，較低的注入光度通常對(duì)應(yīng)著較弱的高能輻射光度。然而，拉索能譜測(cè)量的結(jié)果顯示，該天體系統(tǒng)的伽馬射線能譜不僅以?xún)缏尚问窖由斓?PeV，其PeV能段的伽馬射線光度甚至比蟹狀星云高出數(shù)倍（見(jiàn)圖2）。

圖3 在單區(qū)模型下，通過(guò)電子同步輻射和逆康普頓散射擬合PSR J1849-0001脈沖星風(fēng)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(xiàn)。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(cè)量值，并且最后三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(cè)量值。誤差條顯示了1σ流量的不確定性。品紅色點(diǎn)代表Chandra測(cè)量的X射線流量，不確定性為1σ。橙色上限是基于Fermi-LAT數(shù)據(jù)的95%置信水平的GeV（109eV）伽馬射線流量上限。

這表明該系統(tǒng)在將脈沖星風(fēng)的能量轉(zhuǎn)化為超高能粒子方面，具有令人難以置信的效率。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了X射線等多波段的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)該脈沖星風(fēng)云內(nèi)部的物理參數(shù)給出了嚴(yán)格的約束，指出星云內(nèi)部的粒子加速效率至少達(dá)理論極限的27%，已經(jīng)超過(guò)了蟹狀星云的限制。如果粒子是在傳統(tǒng)模型預(yù)期的終止激波處被加速到觀測(cè)所需的能量，則要求粒子加速效率必須超過(guò)100%！這一結(jié)果直接挑戰(zhàn)了脈沖星風(fēng)云中現(xiàn)在的粒子加速理論。該脈沖星風(fēng)云也因?yàn)槠潴@人的粒子加速效率獲得別稱(chēng)：“天鷹助推器（Aquila Booster）”。

拉索的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅為銀河系內(nèi)的PeVatron候選體增加了一個(gè)極具研究?jī)r(jià)值的新案例，更揭示了在一個(gè)看似并不占優(yōu)勢(shì)的脈沖星系統(tǒng)里，宇宙依然巧妙地打造出了一臺(tái)近乎超常發(fā)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(dāng)特殊的天體，而是脈沖星風(fēng)云這類(lèi)天體所共有的特征。此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為完善脈沖星風(fēng)云的理論圖景提供了重要的線索，并將推動(dòng)理論天體物理學(xué)家重新審視相對(duì)論性等離子體中的粒子加速機(jī)制及基本物理過(guò)程。

來(lái)源：四川觀察 天府宇宙線研究中心

編輯：岳詩(shī)蕊

校對(duì)：馬儷伲

責(zé)編：楊雪

審核：李婭妮

監(jiān)制：譚榮皓