跨越3万光年的追捕：中国“拉索”锁定宇宙超高能“嫌犯”
7个月前，一篇以预印本形式刊发的论文，让天体物理圈炸了锅。
论文里，中国高海拔宇宙线观测站（以下简称“拉索”）团队公布了一项惊人发现：他们看到了能量高达4千万亿电子伏特的光子，并认证这类光子来自神秘双星系统“天鹅座X-3”。他们推测，这种超高能量光子是来自伴星的紫外光子，被双星系统里能量高达40千万亿电子伏特的质子“一脚踢出来”的，这一脚让紫外光子的能量增加了百万亿倍。
消息一出，全球天体物理学家坐不住了。7个月内，论文被引用20余次，各大专业会议都在讨论这个话题。“大家都很兴奋，从来没人见过这种东西。”“拉索”首席科学家、中国科学院院士曹臻说。
最近，预印本成果通过同行评议，在线发表于《国家科学评论》。
这篇论文的背后，是一场跨越3万光年的追捕。“以前我们只知道天鹅座这一大片范围里有‘嫌犯’，现在终于把‘嫌犯’锁定在一片更小的区域。”曹臻说，“这项研究开启了超高能时域天文学的新领域，也开辟了研究黑洞等致密天体附近极端物理过程的新途径。”
来自天鹅座X-3喷流底部的质子（p）与来自伴星的光子（γ）相互作用产生高能光子和中微子（v）示意图。中国科学院高能物理研究所供图
宇宙深处的“加密电报”
2021年，“拉索”建好之后，中国科学院高能物理所副研究员李骢等人就盯上了天鹅座方向，这里是北天区最热闹的地方。
2023年，“拉索”在这片区域发现了一个巨型超高能伽马射线泡，里面充满了高能光子，像一座彻夜通明的城市，相关论文于2024年发表在《科学通报》上。
这项发现里有一个细节让团队成员们心中存疑：泡泡中心有一个极为明亮的点，到底是谁在发光？
“巨型泡泡大约有600光年那么大，如果把泡泡比作一个城市，我们只知道城市里藏着能制造超高能光子的‘嫌犯’，但不知道‘嫌犯’躲在哪条街道、哪幢楼、哪个房间。”曹臻说。
要想知道答案，他们要做的一件事就是“等”，等“嫌犯”踢出来的超高能光子更多地降临到“拉索”覆盖1.36平方公里的探测器上。
这种超高能光子极其稀少。几万个宇宙线粒子“砸”向大气层，里面只有一两个超高能光子。“拉索”从宇宙线干扰信号里把光子信号“捞”出来，相当于在一场暴雨中，准确分辨出每一滴雨水的来源。
2023年的一天，他们发现，来自天鹅座方向的超高能光子，似乎不是均匀稳定地到来的，它时有时无，忽多忽少，像是“嫌犯”在有规律地往外踢出光子。
大家不敢声张。超高能光子的数量实在太少了，少到他们无法排除统计误差和探测器系统误差的可能。
之后，中国科学院高能物理研究所、上海交通大学李政道研究所、中国科学院上海天文台等国内外多家科研机构的科学家，组成研究团队。他们花了三年时间积累更多数据，同时通过各种检验排除其他来源的干扰、排除探测器本身的系统误差，反复核对数据。
2024年，大家把累积了4年多的高能光子数据，按照到达的时间排布起来，画出一张分布图，一条清晰的正弦曲线出现了。像一封“加密电报”一样，光子的数量随着到来的时间，有规律地变多、变少、再变多、再变少，循环往复，周期是4.8小时。
“光子的出现果然不是随机事件！”那晚，李骢兴奋得睡不着觉。“天鹅座方向”，“4.8小时”，这些线索指向一个困扰了人类40年的神秘双星系统——天鹅座X-3。
40多年前的一桩“悬案”
天鹅座X-3，是一个在1966年被发现的神秘天体，也一个让诺贝尔奖得主克罗宁“入坑”伽马天文学却铩羽而归的双星系统。
它由两个天体组成，其中一个天体可能是黑洞也可能是中子星，它围绕着另一个伴星飞快地旋转，一边转，一边吞噬伴星吹出的物质，每4.8小时就绕转一圈。
1983年，一个德国实验室宣称探测到了来自天鹅座X-3方向、能量高达1千万亿电子伏特的超高能光子信号。消息一出，整个高能天体物理界为之沸腾，那是人类当时从未探测到的能量区域。
诺贝尔奖得主、芝加哥大学教授詹姆斯·克罗宁也被惊动了。他放下原本的加速器研究，到美国犹他州建了一个巨型阵列，取名CASA-MIA，专门“蹲守”天鹅座X-3。然而，从阵列1993年建成到1996年，三年里，他什么都没看到。
当时，不只是克罗宁，这场“悬案”让当时国际上很多科学家进入了伽马天文领域，其中也包括中国科学家谭有恒和他的学生曹臻。
和克罗宁一样，大家什么都没看到。于是，之后的40多年里，德国实验室究竟有没有看到超高能光子信号，天鹅座X-3究竟能不能产生那么高能的光子，成为“悬案”。
在“拉索”建成前，天鹅座X-3印在每一代高能天体物理学家的心里，没有人能证明它能发出超高能量的光子，也没有人能证明它不能。
从CASA-MIA的失败经历中吸取教训后，曹臻及其团队在建“拉索”时，铆足了劲把缪子探测器的有效面积从CASA-MIA的1%提升到4%，这意味着探测器从干扰信号中提取出超高能光子信号的“淘金”能力有了大幅提升，同时，整个阵列面积相比于CASA-MIA实验也增大了4倍，收集光子能力大幅增强。
当看到“拉索”的超高能光子呈现出4.8小时节拍时，曹臻、李骢等人知道，找到答案了——制造出这种超高能光子的“嫌犯”就藏身在天鹅座X-3。
“我们原来只能把‘嫌犯’定位到光年量级的泡泡里，现在，它已经被锁定在3个太阳半径之内。从光年量级到太阳半径量级，定位精度提高了几千万倍。”曹臻说。
更大的谜团浮出水面
锁定“嫌犯”位置只是第一步。更大的难题是解释“嫌犯”到底是怎么造出超高能光子的。
团队成员王界双一直在琢磨这个问题。他是上海交通大学李政道研究所的副教授，负责对数据进行理论解释。当他第一次看到“拉索”的能谱数据时，整个人愣住了。“能谱没有掉下去，反而升上来了。”王界双说，“这在伽马天文里是第一例。”
“就像看见一头恐龙。”曹臻形容团队看到数据时的反应，“拉索已经发现了100多个源，就这个长得最怪。”
根据理论预期，天体源的伽马射线能谱会随着能量升高而快速下降，像一条顺坡下行的滑梯。但天鹅座X-3的能谱在1千万亿电子伏特以上不但没有下降，反而翘了起来，“像恐龙的尾巴，高高扬起”。
在尝试对这个现象做理论解释时，王界双和合作者用了“强子起源”模型：来自伴星的高能紫外光子，被黑洞附近，被超高能量的质子“踢了一脚”，能量瞬间从10电子伏特被“撞”到4千万亿电子伏特。
这一脚，暴露了“嫌犯”的实力。根据强子相互作用中光子约占质子能量10%的估算，能把光子踢到4千万亿电子伏特的质子，自身能量至少达到30-40千万亿电子伏特。
于是，更多、更大的谜团浮出了水面。论文在预印本平台公布后，7个月内被引用20余次，大家都在猜测、在构建模型，尝试解释质子如此巨大的能量是怎么来的，恐龙尾巴一样的能谱是怎么翘起来的，超高能光子4.8小时的周期是怎么产生的，以及天鹅座巨大的发光泡泡是不是它点亮的。
“它关系到整个银河系宇宙线的起源和传播问题。”曹臻说。
当被问及“拉索”的发现是否解开了40多年前的“悬案”时，曹臻说：“我们还没有给当年的‘悬案’翻案。按照1983年的观测能力推测，如果他们当时真的看到了超高能光子，说明天鹅座X-3发生过一次比我们现在看到的光子能量强1000倍的爆发，除非‘拉索’也看到一个比现在要强1000倍的光子，否则那件事依然是个‘悬案’。”
如今，“嫌犯”被锁定在天鹅座X-3，但还没有被最终抓住。“‘拉索’正在做更深入的研究，也在等着它来一次更大的爆发，搞清它到底是怎么把粒子加速到这么高能量的。”曹臻说，团队也正在推动建设切伦科夫望远镜阵列，观测更多天体源的细节。
这场跨越3万光年的追捕，仍在继续。
相关论文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag435
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