封面新闻记者 张峥
脉冲星是转动很快的中子星，因不断地发出电磁脉冲信号而得名。当它步入中老年，会在它的周围产生携带着高能粒子的风云。脉冲星在宇宙中超声速飞行，与星际气体碰撞，产生了彗星形状的弓形激波……
日前，我国科学家通过位于甘孜稻城的高海拔宇宙线观测站“拉索”，在一颗脉冲星的尾部区域发现了超高能伽马射线辐射，其光子最高能量达到300万亿电子伏特。这是科学家在世界上首次探测到弓形激波脉冲星尾部的伽马射线辐射，预示着脉冲星尾部区域存在强劲的粒子加速过程。相关研究成果发表于《创新》杂志。
“传统理论认为中年脉冲星能量衰退，尾部区域难以产生高能辐射。但此次探测到超高能伽马射线辐射，意味着弓形激波脉冲星风云尾部区域，具备将粒子加速至拍电子伏特级能量的超强能力。”
“我们目前还不知道脉冲星通过什么方式把能量传递到尾部，又通过何种机制加速粒子，还需要进一步研究。”论文共同通讯作者、中国科学院高能物理研究所研究员陈松战2月20日告诉封面新闻。
弓形激波脉冲星
脉冲星是转动很快的中子星，因不断地发出电磁脉冲信号而得名。脉冲星步入中老年，自转能显著降低，在其产生的风云中，高能粒子的数量和最高能量也随之降低，但它曾经加速的粒子会弥漫在周围，形成尺度达上百光年的伽马射线晕。同时，有一部分中老年脉冲星会直接和星际介质相互作用，形成类似彗星状的弓形激波脉冲星风云。
弓形激波脉冲星风云示意图
陈松战介绍，此次“拉索”观测到的脉冲星是一颗中年脉冲星。它距离地球4500光年，特征年龄11万年，具有彗星形状的弓形激波脉冲星风云。研究团队通过三年多观测，在远离该脉冲星约16光年处，发现了一个点状超高能伽马射线源。十分巧合的是，该超高能伽马射线源恰好处于这颗脉冲星的弓形激波风云尾部的延长线上。
什么是弓形激波脉冲星风云？陈松战解释，弓形激波脉冲星风云是弓形激波和脉冲星风云两个词的组合。脉冲星是超新星爆发中由前身大质量恒星遗骸形成的一种高度磁化的旋转中子星，而脉冲星风云是快速旋转的脉冲星驱动相对论性粒子星风冲击外部物质产生的风云。弓形激波，是一种在高速气流遇到钝头物体时产生的特殊激波，弓形激波的形状更接近于弓形而得名。脉冲星在宇宙中超声速飞行，与星际气体碰撞就形成了弓形激波，使得原来各向同性脉冲星风云变成了一个彗星状。
首次在脉冲星尾部发现伽马射线辐射
这次拉索观测到的300万亿电子伏特的能量，来自脉冲星风云，而脉冲星风云的能量来自脉冲星。
“脉冲星的能量高于脉冲星风云。”陈松战告诉封面新闻记者，脉冲星风云的能量来源主要为脉冲星的旋转能量。脉冲星的旋转能量主要通过电子和正电子的相对论性星风带走，这些星风与周围的介质相互作用，产生终端激波。终端激波可以将粒子加速到几百万亿电子伏特甚至更高能量，这些加速的粒子与周围的磁场、软光子和星际介质相互作用，发出从射电到VHE伽马射线的辐射。
这个蟹状星云中间有一颗脉冲星，脉冲星周围圆形辐射就是脉冲星风与周围气体碰撞后加速粒子产生的辐射，这部分就是脉冲星风云
“具体来说，脉冲星的旋转能量使得高能电子和正电子不断被注入到星云中。随着脉冲星自转减慢，这些高能粒子被注入到脉冲星风云中，并通过同步辐射和高能伽马射线的逆康普顿散射产生辐射。”陈松战说， “拉索视场内有数千颗脉冲星，目前看到具有高能辐射的脉冲星风云三十多个。这次发现的是能量最高的。”
目前全球科学家通过地面研究装置，只在少数几个脉冲星里找到几万亿电子伏特能量的光子，而这次我国科学家是世界首次在脉冲星尾部发现伽马射线辐射，其光子最高能量达到300万亿电子伏特。
依然还有未解之谜
为什么要研究脉冲星、脉冲星风云？这对于理解宇宙深处剧烈的运动有非常重要的意义。科学家们希望能够更深入地了解宇宙射线的起源及其在银河系中的传播路径。
脉冲星的尾巴是什么形状？陈松战表示，现在还不是太清楚。他向记者展示了一张人类对一个类似天体的假想图，“后面拖着的就是尾部方向，我们通过拉索看到的在这个尾部延长线上。”他介绍，这个点状超高能伽马射线源就在远离该脉冲星约16光年处。
脉冲星的尾巴什么样？这是一张想象图
传统理论认为中年脉冲星能量衰退，尾部区域难以产生高能辐射。但此次探测到超高能伽马射线辐射，意味着弓形激波脉冲星风云尾部区域，具备将粒子加速至拍电子伏特级能量的超强能力。“这就像在彗星尾巴末端发现了新型发动机。”陈松战比喻，“脉冲星风云的加速能力肯定来自脉冲星，但是通过什么方式把能量传递到尾部，又通过何种机制加速粒子目前我们还不知道。还需要进一步研究。”
