跨越3萬光年的追捕：中國“拉索”鎖定宇宙超高能“嫌犯”

　　7個月前，一篇以預印本形式公布的論文，讓天體物理圈“炸了鍋”。

　　論文里，中國高海拔宇宙線觀測站（以下簡稱“拉索”）團隊公布了一項驚人發現：他們看到了能量高達4千萬億電子伏特的光子，并認證這類光子來自神秘雙星系統“天鵝座X-3”。他們推測，這種超高能量光子是來自伴星的紫外光子，被雙星系統里能量高達40千萬億電子伏特的質子“一腳踢出來”的。這一腳讓紫外光子的能量增加了百萬億倍。

　　消息一出，全球天體物理學家坐不住了。7個月內，論文被引用20余次，各大專業會議都在討論這個話題。“大家都很興奮，從來沒人見過這種東西。”“拉索”首席科學家、中國科學院院士曹臻說。

　　最近，預印本成果通過同行評議，在線發表于《國家科學評論》。

　　這篇論文的背后，是一場跨越3萬光年的追捕。“以前我們只知道天鵝座這一大片范圍里有‘嫌犯’，現在終于把‘嫌犯’鎖定在一片更小的區域。”曹臻說，“這項研究開啟了超高能時域天文學的新領域，也開辟了研究黑洞等致密天體附近極端物理過程的新途徑。”

　　宇宙深處的“加密電報”

　　2021年，“拉索”建好之后，中國科學院高能物理所副研究員李驄等人就盯上了天鵝座方向。這里是北天區最熱鬧的地方。

　　2023年，“拉索”在這片區域發現了一個巨型超高能伽馬射線泡，里面充滿了高能光子，像一座徹夜通明的城市。相關論文2024年發表于《科學通報》。

　　這項發現里有一個細節讓團隊成員們心中存疑：泡泡中心有一個極為明亮的點，到底是誰在發光？

　　“巨型泡泡大約有600光年那么大，如果把泡泡比作一個城市，我們只知道城市里藏著能制造超高能光子的‘嫌犯’，但不知道‘嫌犯’躲在哪條街、哪幢樓、哪個房間。”曹臻說。

　　想知道答案，他們要做的一件事就是“等”，等“嫌犯”踢出來的超高能光子更多地降臨到“拉索”覆蓋1.36平方公里的探測器上。

　　這種超高能光子極其稀少。幾萬個宇宙線粒子“砸”向大氣層，里面只有一兩個超高能光子。“拉索”從宇宙線干擾信號里把光子信號“撈”出來，相當于在一場暴雨中，準確分辨每一滴雨水的來源。

　　2023年的一天，他們發現，來自天鵝座方向的超高能光子似乎不是均勻穩定地到來的，它時有時無、忽多忽少，像是“嫌犯”在有規律地往外踢光子。

　　大家不敢聲張。超高能光子的數量實在太少了，少到他們無法排除統計誤差和探測器系統誤差的可能。

　　之后，中國科學院高能物理研究所、上海交通大學李政道研究所、中國科學院上海天文臺等國內外多家科研機構的科學家組成研究團隊。他們花了3年時間積累更多數據，同時通過各種檢驗排除其他來源的干擾和探測器本身的系統誤差，反復核對數據。

　　2024年，大家把累積了4年多的高能光子數據，按照到達的時間排布起來，畫出一張分布圖，一條清晰的正弦曲線出現了。像一封加密電報一樣，光子的數量隨著到來的時間有規律地變多、變少，再變多、再變少，循環往復，周期是4.8小時。

　　“光子的出現果然不是隨機事件！”那晚，李驄興奮得睡不著。“天鵝座方向”“4.8小時”，這些線索指向一個困擾了人類40年的神秘雙星系統——天鵝座X-3。

　　40多年前的一樁“懸案”

　　天鵝座X-3是一個在1966年被發現的神秘天體，也是一個讓諾貝爾獎得主、美國實驗粒子物理學家詹姆斯·克羅寧“入坑”伽馬天文學卻鎩羽而歸的雙星系統。

　　它由兩個天體組成，其中一個天體可能是黑洞也可能是中子星，圍繞著另一個伴星飛快旋轉，一邊轉，一邊吞噬伴星吹出的物質，每4.8小時繞轉一圈。

　　1983年，一個德國實驗室宣稱探測到了來自天鵝座X-3方向的能量高達1千萬億電子伏特的超高能光子信號。消息一出，整個高能天體物理界為之沸騰。那是人類當時從未探測到的能量區域。

　　克羅寧也被驚動了。他放下原本的加速器研究，到美國猶他州建了一個巨型陣列，取名CASA-MIA，專門“蹲守”天鵝座X-3。然而，從陣列1993年建成到1996年，他什么都沒看到。

　　不只是克羅寧，這場“懸案”讓當時國際上很多科學家進入了伽馬天文領域，其中包括中國科學家譚有恒和他的學生曹臻。

　　和克羅寧一樣，大家什么都沒看到。于是，之后的40多年里，德國實驗室究竟有沒有看到超高能光子信號、天鵝座X-3究竟能不能產生那么高能的光子，成為“懸案”。

　　在“拉索”建成前，天鵝座X-3印在每一代高能天體物理學家的心里，沒有人能證明它能發出超高能量的光子，也沒有人證明它不能。

　　從CASA-MIA的失敗經歷中吸取教訓后，曹臻及其團隊在建“拉索”時，鉚足了勁把繆子探測器的有效面積從CASA-MIA的1%提升到4%，這意味著探測器從干擾信號中提取出超高能光子信號的“淘金”能力有了大幅提升。同時，整個陣列面積相比于CASA-MIA實驗也增大了4倍，收集光子能力大幅提升。

　　當看到“拉索”的超高能光子呈現出4.8小時節拍時，曹臻、李驄等人知道，找到答案了——制造出這種超高能光子的“嫌犯”就藏身在天鵝座X-3。

　　“我們原來只能把‘嫌犯’定位到光年量級的泡泡里，現在，它已經被鎖定在3個太陽半徑之內。從光年量級到太陽半徑量級，定位精度提高了幾千萬倍。”曹臻說。

　　更大的謎團浮出水面

　　鎖定“嫌犯”位置只是第一步。更大的難題是解釋“嫌犯”到底是怎么造出超高能光子的。

　　團隊成員王界雙一直在琢磨這個問題。他是上海交通大學李政道研究所的副教授，負責對數據進行理論解釋。當他第一次看到“拉索”的能譜數據時，整個人愣住了。“能譜沒有掉下去，反而升上來了。”王界雙說，“這在伽馬天文里是第一例。”

　　“就像看見一頭恐龍。”曹臻形容團隊看到數據時的反應，“拉索已經發現了100多個源，就這個長得最怪。”

　　根據理論預期，天體源的伽馬射線能譜會隨著能量升高而快速下降，像一條順坡下行的滑梯。但天鵝座X-3的能譜在1千萬億電子伏特以上不但沒有下降，反而翹了起來，“像恐龍的尾巴，高高揚起”。

　　在嘗試對這個現象做理論解釋時，王界雙和合作者用了“強子起源”模型：來自伴星的高能紫外光子，在黑洞附近，被超高能量的質子“踢了一腳”，能量瞬間從10電子伏特被“撞”到4千萬億電子伏特。

　　這一腳，暴露了“嫌犯”的實力。根據強子相互作用中光子約占質子能量10%的估算，能把光子踢到4千萬億電子伏特的質子，自身能量至少達到30至40千萬億電子伏特。

　　于是，更多、更大的謎團浮出了水面。論文在預印本平臺公布后，7個月內被引用20余次。大家都在猜測、構建模型，嘗試解釋質子如此巨大的能量是怎么來的、恐龍尾巴一樣的能譜是怎么翹起來的、超高能光子4.8小時的周期是怎么產生的，以及天鵝座巨大的發光泡泡是不是它點亮的。

　　“它關系到整個銀河系宇宙線的起源和傳播問題。”曹臻說。

　　當被問及“拉索”的發現是否破解了40多年前的“懸案”時，曹臻說：“我們還沒有給當年的‘懸案’翻案。按照1983年的觀測能力推測，如果他們當時真的看到了超高能光子，說明天鵝座X-3發生過一次比我們現在看到的光子能量強1000倍的爆發，除非‘拉索’也看到一個比現在要強1000倍的光子，否則那依然是個‘懸案’。”

　　如今，“嫌犯”被鎖定在天鵝座X-3，但還沒有被抓住。“‘拉索’正在做更深入的研究，也在等著它來一次更大的爆發，搞清它到底是怎么把粒子加速到這么高能量的。”曹臻說，團隊也在推動建設切倫科夫望遠鏡陣列，從而觀測更多天體源的細節。

　　這場跨越3萬光年的追捕，仍在繼續。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag435