中国“拉索”破解宇宙线“膝”形成之谜:黑洞高能加速器驱动|日本不卡一区
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中新网北京11月16日电 (记者 孙自法 刘忠俊)宇宙线能量分布图上有一个关键转折点,由于形状酷似人的膝盖,被称为“膝”,其如何形成一直是待解之谜;黑洞则是宇宙中最具吸引力的神秘天体之一。两者间有没有关联、有何关联、如何关联……这些议题虽备受关注,但受观测设备条件所限,学界此前知之甚少。
来自中国科学院高能物理研究所(高能所)的消息说,得益于该所建设运行的大科学装置高海拔宇宙线观测站(英文缩写LHAASO,中文昵称“拉索”)的最新观测研究,由中国科学家领衔的国际合作团队终于破解宇宙线“膝”形成之谜——发现黑洞为拍电子伏(PeV,1PeV=1000万亿电子伏)加速器,成为宇宙线“膝”区新发现的高能组分最佳候选源天体,并第一次在观测上将宇宙线“膝”结构与具体类型的天体黑洞喷流系统关联起来。
两项里程碑意义科学成果发布
11月16日,中国科学院高能所在北京发布“拉索”观测发现两项具有里程碑意义的科学成果:一是黑洞吸积驱动的微类星体是银河系中强大的粒子加速器,能够将质子加速至拍电子伏能段;二是宇宙线质子能谱“膝”区显现超出预期的高能组分,黑洞正是其最可能的候选源天体。

“拉索”首席科学家、中国科学院高能所曹臻院士表示,这两大发现不仅揭示宇宙线起源的关键机制,也为理解黑洞系统的极端物理过程打开新窗口。
两项成果论文由中国科学院高能所、南京大学、中国科学技术大学、罗马第一大学等机构的科研人员合作完成,近日已分别发表于学术期刊《国家科学评论》(英文版)与《科学通报》(英文版)。
首探5个微类星体超高能伽马射线
“拉索”团队介绍说,处于双星系统中的黑洞在吸积伴星物质时可产生相对论性喷流,形成“微类星体”。本项研究中,“拉索”首次系统性探测到来自编号分别为SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070、Cygnus X-1等5个微类星体的超高能伽马射线。
其中,SS 433的超高能辐射与周围巨型原子云重合,强烈暗示来自于被黑洞加速的高能质子与物质的碰撞。分析表明其加速的质子能量超过1拍电子伏,总功率高达约每秒10的32次方焦耳,相当于每秒释放400万亿颗人造最强炸弹(“沙皇”氢弹)的能量。
来自V4641 Sgr的伽马射线能量达到0.8拍电子伏,成为又一个“超级拍电子伏粒子加速器”,即产生这些伽马射线的父辈粒子能量超过10拍电子伏。
这使得微类星体成为银河系内非常重要的一类拍电子伏粒子加速器,从而解决了困扰科学家多年的一个难题:银河系内公认的宇宙线源是超新星遗迹,但观测和理论都发现它们无力将宇宙线加速到宇宙线“膝”及以上的高能量。
揭示银河系内存在多种类加速源
“拉索”团队指出,宇宙线“膝”大约在3拍电子伏处,此处能量更高的宇宙线数量急剧减少。近70年前发现“膝”以来,一直未弄清其成因,只是被猜测为加速源天体加速能力极限所致,呈现为宇宙线能谱从一个简单的“幂律谱”转换为另一个简单的“幂律谱”。

要真正理解这个问题,必须精确测量宇宙线各成分的能谱及各自的“膝”。首先是最轻的原子核——质子的能谱分布,然而,“膝”区的宇宙线稀少,卫星探测器面积有限,探测如同大海捞针;地面实验受大气层干扰,很难清晰地将质子从大量其他原子核产生的事例中识别出来,因此,长期以来这一测量是公认不可能完成的任务。
“拉索”巧妙利用其强大的地面观测装置,采用多参数测量技术成功筛选出大统计量的高纯度质子样本,从而精确测量其能谱,精度媲美卫星实验。
这一突破性的测量揭示完全超出预期的能谱结构,清晰展现出一个新的“高能组分”而非简单的幂律转换。“拉索”的新结果与国际空间站阿尔法磁谱仪2(AMS-02)测得的低能组分、中国“悟空号”暗物质粒子探测卫星测得的中能组分一起,揭示银河系内存在多种类的加速源,每一类有各自独特的加速能力和能量范围,而宇宙线“膝”正是产生高能组分的源的加速极限表现。
实现“一箭双雕”精确探测
质子能谱的复杂结构表明,拍电子伏能段的宇宙线质子主要来自微类星体这类“新源”,它们具有明显高于超新星遗迹的加速极限,能够产生超过“膝”的高能宇宙线。两项成果相互印证,构建起一个完整的科学图景,这不仅为解决困扰学界近70年的宇宙线“膝区成因”难题迈出关键一步,也为理解黑洞在宇宙线起源中的作用提供重要观测证据。
这次研究为何能破解宇宙线“膝”形成之谜?“拉索”团队形象比喻称,如果说之前对宇宙线、黑洞吸积喷流的探测效果,就像“胡子眉毛一把抓”“花生瓜子一把抓”难以分辨清楚,而“拉索”的复合型探测器阵列设计,则实现对宇宙线和天体源“一箭双雕”的精确探测。
“拉索”既能够通过超高能伽马射线探测宇宙射线的源天体,也能够对太阳系附近的宇宙线粒子进行精确测量;既从天体源端看到拍电子伏能量的加速能力,又从宇宙线端看到这类源所贡献的能谱特征,其探测效果就如同能清晰分辨双胞胎一样。
为全球科学事业作出重要贡献
由中国科学家自主设计、建设并运行的“拉索”,凭借在伽马天文探测与宇宙线精确测量两方面的高灵敏度,现已在高能伽马射线天文和宇宙线物理领域处于领先地位,且持续取得具有全球影响力的突破性成果。

这些成就彰显中国在基础科学研究领域的创新实力,体现中国智慧对人类文明的贡献,尤其是在对宇宙极端物理过程的认知层面。
“而这只是中国深度参与科学研究的一个缩影:即便在远离日常生活的自然科学前沿领域,中国也在积极作为。通过打造世界级平台、组建国际团队、推动人类认知边界不断拓展,中国正为全球科学事业作出重要贡献。”曹臻院士说。(完)
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