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LHAASO认证天鹅座X-3

2026-08-02

天鹅座X-3是一块试金石。1966年它被探空火箭发现，是最早的X射线源之一。1972年它突然爆发出20央斯基的射电耀发——比平时亮了上千倍。1983年，两个实验宣称在它方向看到了超过千万亿电子伏的光子，还带着4.8小时的轨道周期信号。那一年的报告引发了整个领域的狂热，催生了PeV伽马天文学和后来的Pierre Auger天文台。但接下来十年，更灵敏的实验一个接一个地试，谁也没能重复那个信号。1990年代初，学界把1983年的探测判了死刑。天鹅座X-3成了一个悬案：一个据称存在、却始终无法被证实的高能加速器。

四十多年后，中国四川稻城海子山，海拔4410米，全球最大的地面伽马射线观测站LHAASO——中文叫"拉索"——给出了答案。2026年7月22日，《国家科学评论》在线发表论文，报告拉索捕捉到来自天鹅座X-3方向的两个超高能光子，重建能量分别为3.73±0.41拍电子伏和3.08±0.34拍电子伏。这是人类从天体源探测到的最高能量的光子。拉索以约10个标准差的显著性认证：天鹅座X-3，这个由黑洞或中子星与一颗沃尔夫-拉叶星组成的、轨道周期只有4.8小时的双星系统，是迄今为止已知能产生最高能量粒子的天然加速器。

真正的突破不在"能量"，在"变"。天鹅座X-3的PeV发射是高度时变的。拉索看到信号呈现约三个月尺度的爆发，变率显著性8.6个标准差。更关键的是时间关联：当费米卫星定义天鹅座X-3处于GeV高态时，拉索同时看到11.5个标准差的超高能信号；当GeV波段平静时，拉索也看不到≥0.4 PeV的光子。一条跨越六个数量级能量的关联。此外，超高能伽马射线还带着4.8小时轨道周期的调制证据（3.2个标准差）——这正是双星绕转的节拍。轨道调制把加速区压缩到了约三个太阳半径的范围内，这是迄今对宇宙中超高能粒子加速器最高精度的定位。正是"时变"这把钥匙，把天鹅座X-3从普通的宇宙线源候选者，升级为被正式认证的源头。

粒子加速到多高？拉索论文和官方通报给出：宇宙线粒子能量至少30 PeV，也就是三万万亿电子伏，远超主流理论认为银河系加速器约1 PeV的能量上限。这个数字怎么来的？需要解释清楚。观测到的是伽马光子，不是质子本身。3.7 PeV的光子最自然的产生方式是光介子过程：极端相对论的高能质子撞上来自沃尔夫-拉叶星或吸积盘的紫外/ X射线光子，生成π介子，π介子衰变成伽马射线。而要让光介子过程在紫外光子靶上启动，质子能量必须比光子能量高得多——门槛就在几十PeV。反推下来就是30 PeV以上。轻子起源被排除了：同步辐射冷却会把电子的能量限制在0.07 PeV以下，撑不起3.7 PeV的光子。

但理论界正在这个数字上拉锯。主流模型给微类星体算出的能量天花板是3到5 PeV。张冰、木村、村濑2025年在《物理评论D》上提出的剪切加速模型，给出最大能量约4.3 PeV——刚好落在银河系宇宙线谱"膝"（3 PeV附近）的位置，而不是30 PeV。Araudo等人2015年的工作显示，扩散激波加速的实际能量上限远低于理论极限——因为湍流扩散系数比理想值大六个量级。为什么理论预期和30 PeV差了一个量级？天鹅座X-3的独特之处在于它有个沃尔夫-拉叶伴星，星风质量损失率高达每年10⁻⁵个太阳质量，终速度约1000公里每秒。致密天体的喷流冲进这股密实星风，在喷流最内区形成极端条件。几种竞争模型正在解释这一切：Kachelrieß和Lammert在2025年提出"半隐藏PeVatron"模型——磁重联、二阶费米、扩散激波三种机制都能把粒子推过PeV，只需要千分之一的加速效率；他们还给这个模型起了个名字，致敬1983年那桩悬案——当时有人报告过它，后来实验没证实，源"隐藏"了。他们的增补论文用双分量强子模型拟合了拉索2025年的数据：pp过程给平坦分量，pγ过程在PeV以上上升。Zdziarski团队2026年在《天体物理杂志快报》上提出反喷流主导模型——因为系统视线倾角低，背向观测者的那根喷流反而贡献更多，解释了为什么PeV光子峰与GeV发射在轨道相位上反相。还有Pullano等人2025年的重准直激波模型，理论上允许微类星体把质子推到几十PeV。

还有一桩历史账要算清楚。1983年的报告者不是别人，正是天鹅座X-3自己。Kiel阵列的Samorski和Stamm、Haverah Park的Lloyd-Evans都宣称看到了信号。后来的Baksan、GREX、CASA-MIA、SPASE都没能重复。国际共识是那些早期探测不可信——它们声称的通量被严重高估了。但拉索现在给出的结果，是以远低于当年声称通量的水平，用现代探测器提供的可信证据。这等于给那桩悬案补上了迟到的证明：源确实发射超高能伽马射线，只是没有1983年人们以为的那么强，而且高度时变——当年那些实验恰好错过了它最亮的窗口。

天鹅座X-3能成为PeV加速器，它的系统参数给出了线索。距离约2.4万光年。致密天体到底是黑洞还是中子星，还没完全确认，但证据倾向黑洞——质量估计在几个到十个太阳质量之间，不同分析方法给出的范围差异很大，从2.4到7.2到10个太阳质量都有。伴星是沃尔夫-拉叶星（光谱型WN 4-6，富氦富氮、氢耗尽），质量约8到14个太阳质量，表面温度超过8万度。全银河系已知含沃尔夫-拉叶星的X射线双星只有两个，天鹅座X-3是其中之一。轨道周期4.8小时，是已知X射线双星中最短的之一。喷流与视线夹角很小——不同文献给的范围从12度到28度，这个角度直接决定哪个理论模型成立，目前还在争论。

拉索是怎么做到别人做不到的事的？它有三个阵列。平方公里阵列KM2A：5216个闪烁体探测器加1188个缪子探测器，占地1.3平方公里，用埋在地下2.5米的水罐捕捉缪子，把宇宙线背景压低到十万分之一以下——在>100 TeV的能段几乎是无本底测量。水切伦科夫阵列WCDA覆盖100 GeV到20 TeV。广角切伦科夫望远镜WFCTA用于宇宙线成分标定。高海拔（4410米）、大视场、全天候连续值守，让拉索能捕捉到瞬态的、会"跑掉"的信号。相比之下，MAGIC和VERITAS这类指向式望远镜在过去十几年里对天鹅座X-3只给出了上限——它们把时间花在盯住天空的某一小块，而PeV耀发出现时，它们不一定在看着。这就是为什么拉索能看见、别人看不见。

这次成果的5位通讯作者是：曹臻（中科院高能所，拉索首席科学家、合作组发言人）、李骢（高能所）、王界双（上海交通大学李政道研究所）、周佳能（中科院上海天文台）、Felix Aharonian（高能所/中国科学技术大学）。拉索由中科院与四川省共建，总投资约12亿元，2015年底立项，2017年动工，2021年7月全阵列建成，2023年5月通过国家验收。合作组现有28家国内机构和法国、泰国、俄罗斯、巴基斯坦四国机构，约300名科学家。这条成果链从1966年的云南落雪山到1989年的羊八井ASγ、再到2019年羊八井发现的450 TeV光子，最后是2021年拉索的1.4 PeV光子开启超高能伽马天文学——2026年的天鹅座X-3认证，是这条六十年的链条上最新的一个节点。

面向未来，拉索二期LACT正在建设——32台6米口径成像大气切伦科夫望远镜，部署在拉索阵列内联合观测，预计2028年底建成，届时在10 TeV以上角分辨优于0.05度，将成为北半球最灵敏的切伦科夫望远镜。天鹅座X-3的认证也把它推到了多信使舞台中央：光介子过程预言PeV中微子，IceCube和KM3NeT的后续观测将成为直接检验。而那个"30 PeV"的反推、3.2σ轨道调制的统计基础、以及1980年代悬案的历史阴影，意味着这场认证在走向定论的路上还会被反复审视。从1983年的一桩悬案，到2026年的正式认证，天鹅座X-3用了四十三年讲完了一个故事。但关于它如何把粒子推到30 PeV——故事才刚刚开头。

*参考文献*

  1. LHAASO Collaboration, "Cygnus X-3: A variable petaelectronvolt γ-ray source", *National Science Review*, DOI 10.1093/nsr/nwag435 (2026-07-22在线发表); arXiv:2512.16638.
  1. 中科院高能物理研究所, "拉索认证首个拍电子伏伽马射线变源", 2026-07-30, http://ihep.cas.cn/xwdt2022/gnxw/hotnews/2026/202607/t20260730_8257273.html.
  1. 中科院, "中国'拉索'确认宇宙线源天体 粒子能量至少3亿亿电子伏", 2026-07-31, https://www.cas.cn/cm/202607/t20260731_5117747.shtml.
  1. 中科院上海天文台, "拉索认证天鹅座X-3为银河系最强宇宙线加速源", 2026-07-31, https://shao.cas.cn/2020Ver/xwdt/kyjz/202607/t20260731_8258164.html.
  1. M. Kachelrieß & E. Lammert, "Cygnus X-3 as a semi-hidden PeVatron", *Astronomy & Astrophysics* 701, A22 (2025), DOI 10.1051/0004-6361/202554701, arXiv:2503.11448.
  1. M. Kachelrieß & E. Lammert, "Addendum to 'Cygnus X-3 as a semi-hidden PeVatron' discussing the LHAASO 2025 data", arXiv:2512.18786 (2025).
  1. A.A. Zdziarski, A. Dmytriiev & K.I.I. Koljonen, "The Counterjet Dominates the Production of PeV Photons from Cyg X-3", *ApJ Letters* 1004, L1 (2026), DOI 10.3847/2041-8213/ae691a.
  1. A. Dmytriiev, A.A. Zdziarski, D. Malyshev, V. Bosch-Ramon & M. Chernyakova, "Two Models for the Orbital Modulation of Gamma Rays in Cyg X-3", *ApJ* 972, 85 (2024), DOI 10.3847/1538-4357/ad6440.
  1. B.T. Zhang, S.S. Kimura & K. Murase, "Microquasar jet-cocoon systems as PeVatrons", *Phys. Rev. D* 112, 123015 (2025), arXiv:2506.20193.
  1. L.P. Pullano, E. Peretti, E. Amato, S.S. Cerri, G. Morlino & S. Recchia, "Particle acceleration at recollimation shocks in sub-relativistic jets", *A&A* (2025), arXiv:2509.09883.
  1. A.T. Araudo, A.R. Bell & K.M. Blundell, "Particle acceleration and magnetic field amplification in the jet of 4C74.26", arXiv:1505.02210 (2015).
  1. M. Tavani et al. (AGILE), "Discovery of extreme particle acceleration in the microquasar Cygnus X-3", *Nature* 462, 620-623 (2009), arXiv:0910.5344.
  1. A.A. Abdo et al. (Fermi-LAT), "Modulated High-Energy Gamma-Ray Emission from the Microquasar Cygnus X-3", *Science* 326, 1512-1516 (2009), DOI 10.1126/science.1182174.
  1. M. Samorski & W. Stamm, "Detection of 10^15-10^16 eV gamma-rays from Cygnus X-3", *ApJ* 268, L17 (1983).
  1. J. Lloyd-Evans et al., "Observation of >10^15 eV gamma rays from Cygnus X-3", *Nature* 305, 784 (1983).
  1. R.J. Protheroe et al., "Very high energy gamma-ray astronomy" (review of UHE observations), *ApJS* 90, 883 (1994).
  1. A. Mitra, "Problems of Ultra-High-Energy Particle Acceleration in Cygnus X-3: A Critical Reappraisal", *ApJ* 370, 345 (1991).
  1. R. Giacconi et al., "Is Cygnus X-3 a runaway member of the Cygnus OB2 association?", *ApJ* 148, L129 (1967)（天鹅座X-3发现）.
  1. P.C. Gregory, P.P. Kronberg, E.R. Seaquist et al., "Discovery of a giant radio flare from Cygnus X-3", *Nature* 239, 440 (1972).
  1. C.R. Shrader, L. Titarchuk & N. Shaposhnikov, "Cygnus X-3: a black hole or neutron star?", *ApJ* 718, 488 (2010), arXiv:1005.5362.
  1. I.I. Antokhin, A.M. Cherepashchuk, E.A. Antokhina & A.M. Tatarnikov, "A consistent model of Cygnus X-3: mass, inclination, mass-loss rate", *ApJ* 926, 123 (2022).
  1. K.I.I. Koljonen & T.J. Maccarone, "Gemini/GNIRS infrared spectroscopy of the Wolf-Rayet star in Cygnus X-3", *MNRAS* 472, 2181 (2017).
  1. A. Miura et al. (XRISM), "Cygnus X-3 observations with XRISM", *PASJ* 77, S86 (2025), arXiv:2505.09890.
  1. A.J. Mioduszewski et al., "VLBA observations of Cygnus X-3", *ApJ* 553, 766 (2001).
  1. LHAASO Collaboration, "Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources", *Nature* 594, 33-36 (2021), DOI 10.1038/s41586-021-03498-z.
  1. LHAASO Collaboration, "Peta-electron volt gamma-ray emission from the Crab Nebula", *Science* 373, 425-430 (2021), DOI 10.1126/science.abg5137.
  1. LHAASO Collaboration, "An ultrahigh-energy γ-ray bubble powered by a super PeVatron", *Science Bulletin* 69(4), 449-457 (2024), DOI 10.1016/j.scib.2023.12.040, arXiv:2310.10100.
  1. LHAASO Collaboration, "Ultrahigh-energy gamma-ray emission associated with black hole-jet systems", *National Science Review* 12, nwaf496 (2025), arXiv:2410.08988.
  1. LHAASO Collaboration, "A tera-electronvolt afterglow from a narrow jet in an extremely bright gamma-ray burst 221009A", *Science* 382, 455-459 (2023).
  1. F. Aharonian et al., "Design of the LHAASO detectors", *Radiation Detection Technology and Methods* 2, 7 (2018).
  1. LHAASO Collaboration, "The LHAASO instruments and detector technology" (Chapter 1), *Chinese Physics C* 46, 030001 (2022).
  1. HAWC Collaboration, "HAWC Search for High-Mass Microquasars", *ApJ Letters* 906, L14 (2021), arXiv:2101.08945.
  1. J. Aleksić et al. (MAGIC), "MAGIC upper limits on Cygnus X-3", arXiv:1110.1581 (2011).
  1. W. Archer et al. (VERITAS), "VERITAS Observations of the Microquasar Cygnus X-3", *ApJ* 779, 150 (2013), arXiv:1311.0919.
  1. "LACT: The Large Array of imaging atmospheric Cherenkov Telescopes at LHAASO", IHEP project page (2025), arXiv:2509.20694.
  1. SWGO Collaboration, "The Southern Wide-field Gamma-ray Observatory status", *NIM-A* (2026), https://www.swgo.org.
  1. CTAO Consortium, "CTAO Performance and Science", https://www.cta-observatory.org/science/ctao-performance/.
  1. "Cygnus X-3" TeVCat entry, https://www.tevcat.org/?mode=1&showsrc=432.