高能伽马射线天文的一个重要问题之一就是确定高能宇宙线的起源。随着仪器探测能力的增强，近几年来该领域进展迅速，一系列新的伽马射线源被发现和证认。尤其引人注目的两类是Fermi大视场望远镜发现的在宇宙线加速源附近的“宇宙线茧”（cosmic ray cocoon）结构和HAWC（高海拔水切伦科夫阵列）在年老脉冲星附近发现的“脉冲星晕”(pulsar halo)。这两类结果的空间尺度可以达到数百光年，观测得到的角半径也超过了一度 （见图1）。因此，对这两类伽马射线源的空间分布性质的研究成为可能。

图1 天鹅座区域的“宇宙线茧”结构和HAWC发现的“脉冲星晕”结构的伽马射线天图，图片来自于参考文献[1,2] 。

这两种结构的伽马射线面亮度分布呈现出各自独特的特点（见图2），为宇宙线加速源的证认、高能粒子输运过程以及星际介质性质的研究提供了独特信息。已有的空间分布研究表明，“宇宙线茧”中的宇宙线是由其中心的天体连续注入的，其注入时标可能超过十万年，这大大超过了超新星遗迹加速过程的时标，从而表明“宇宙线茧”结构中心的大质量恒星星风可能提供了加速宇宙线的能源。另一方面，对“脉冲星晕”的空间分布的研究表明脉冲星周围存在着一个弥散的慢扩散区，其中宇宙线的扩散要比银盘中的平均值低两个数量级以上。

图2  多个“宇宙线茧”附近的宇宙线密度分布，以及Geminga脉冲星晕的伽马射线面亮度分布。分别来自于参考文献[1,2]。

随着我国的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)的建成，超高能伽马射线天文的窗口被打开，甚高能段的探测能力也得到了大大提高。尤其值得注意的是，LHAASO发布的首批12个超高能伽马射线源中[3]，有11个是延展源，从而可能与上文提到的“宇宙线茧”和“脉冲星晕”等结构相关。因此，关于这类延展源的可能空间性质的详细研究对于未来的伽马射线观测有重要的作用。

《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版65卷第1期出版了中国科学技术大学杨睿智教授和刘冰博士撰写的文章“On the surface brightness radial profile of the extended  γ-ray sources”[4]，在这篇论文中，作者对“脉冲星晕”和“宇宙线茧”两种结构中宇宙线的不同传播性质进行了深入研究，并考察了伽马射线的空间投影效应和仪器分辨率对观测的可能影响，对于直接从空间分布区分这两种延展源的可能性进行了详细的讨论（见图3）。作者指出了区分两种辐射机制需要更高的角分辨和足够的曝光量积累， 从而为未来更多曝光和更高分辨率仪器对这些扩展源的研究能力进行了预期。同时，作者也对这种延展源对银河系内大尺度弥散辐射的贡献进行了研究，表明这类源有可能对河内的甚高能伽马射线辐射做出显著的贡献。

图3  宇宙线茧（proton）和脉冲星晕（electron）结构预期的观测得到的面亮度分布，左图对应角分辨0.3 度，右图对应角分辨0.05度。

【参考文献】

[1] Aharonian F., Yang R., de Oña Wilhelmi E., 2019, Nature Astronomy, 3, 561

[2] Abeysekara A. U., et al., 2017, Science, 358, 911

[3] Cao Z., et al., 2021, Nature, 594, 33

[4] Yang R.-Z., Liu B., 2022, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 65, 219511