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），藍色點和紅色點分別表示拉索兩個子陣列的測量結(jié)果。作為參照，灰色虛線代表蟹狀星云的能譜。兩者在PeV能量附近流量相當，而PSR J1849-0001比蟹狀星云距地球更遠，可推出其PeV光度比蟹狀星云高出約一個數(shù)量級。

國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，以下簡稱“拉索”）在天鷹座發(fā)現(xiàn)PSR J1849-0001驅(qū)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(jīng)典脈沖星風云的粒子加速理論提出嚴峻挑戰(zhàn)。相關(guān)論文于近日發(fā)表在《自然·天文學》（Nature Astronomy），通信作者為南京大學研究員柳若愚、博士汪凱、博士生童超男，以及中國科學院高能物理研究所研究員陳松戰(zhàn)和副研究員王玲玉。

天府宇宙線研究中心供圖    

脈沖星風云是宇宙中高速旋轉(zhuǎn)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，與周邊介質(zhì)猛烈撞擊后形成的壯觀高能天體。長期以來，銀河系內(nèi)自轉(zhuǎn)減慢光度最高的脈沖星驅(qū)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(jīng)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，引起學界廣泛關(guān)注與討論，被稱為在伽馬射線波段蟹狀星云的兩大驚奇發(fā)現(xiàn)之一。

此次拉索的研究聚焦于另一個脈沖星風云系統(tǒng)PSR J1849-0001上。PSR J1849-0001位于天鷹座，其自轉(zhuǎn)減慢光度比蟹狀星云脈沖星低了約50倍。在傳統(tǒng)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(jié)果顯示，該天體系統(tǒng)的伽馬射線能譜不僅以冪律形式延伸到2 PeV，其PeV能段的伽馬射線光度甚至比蟹狀星云高出數(shù)倍。這表明該系統(tǒng)在將脈沖星風的能量轉(zhuǎn)化為超高能粒子方面，具有令人難以置信的效率。研究團隊結(jié)合了X射線等多波段的觀測結(jié)果，對該脈沖星風云內(nèi)部的物理參數(shù)給出了嚴格的約束，并指出星云內(nèi)部的粒子加速效率至少達到理論極限的27%，已經(jīng)超過了蟹狀星云的限制（如果粒子是在傳統(tǒng)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(jié)果直接挑戰(zhàn)了脈沖星風云中現(xiàn)在的粒子加速理論。因此該脈沖星風云也因其驚人的粒子加速效率被稱為“天鷹助推器（Aquila Booster）”。

拉索的這項發(fā)現(xiàn)不僅為銀河系內(nèi)的PeVatron候選體增加了一個極具研究價值的新案例，還揭示了在一個看似并不占優(yōu)勢的脈沖星系統(tǒng)里，宇宙依然巧妙地打造出了一臺近乎超常發(fā)揮的極端粒子加速器。這暗示著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。該發(fā)現(xiàn)為完善脈沖星風云的理論圖景提供了重要線索，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。