中新網(wǎng)北京11月16日電 (記者 孫自法 劉忠俊)宇宙線能量分布圖上有一個關鍵轉折點，由于形狀酷似人的膝蓋，被稱為“膝”，其如何形成一直是待解之謎；黑洞則是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一。兩者間有沒有關聯(lián)、有何關聯(lián)、如何關聯(lián)……這些議題雖備受關注，但受觀測設備條件所限，學界此前知之甚少。
來自中國科學院高能物理研究所(高能所)的消息說，得益于該所建設運行的大科學裝置高海拔宇宙線觀測站(英文縮寫LHAASO，中文昵稱“拉索”)的最新觀測研究，由中國科學家領銜的國際合作團隊終于破解宇宙線“膝”形成之謎——發(fā)現(xiàn)黑洞為拍電子伏(PeV，1PeV=1000萬億電子伏)加速器，成為宇宙線“膝”區(qū)新發(fā)現(xiàn)的高能組分最佳候選源天體，并第一次在觀測上將宇宙線“膝”結構與具體類型的天體黑洞噴流系統(tǒng)關聯(lián)起來。
兩項里程碑意義科學成果發(fā)布
11月16日，中國科學院高能所在北京發(fā)布“拉索”觀測發(fā)現(xiàn)兩項具有里程碑意義的科學成果：一是黑洞吸積驅動的微類星體是銀河系中強大的粒子加速器，能夠將質(zhì)子加速至拍電子伏能段；二是宇宙線質(zhì)子能譜“膝”區(qū)顯現(xiàn)超出預期的高能組分，黑洞正是其最可能的候選源天體。
11月16日，北京，曹臻院士發(fā)布并解讀“拉索”觀測研究取得的最新兩項重要成果。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝“拉索”首席科學家、中國科學院高能所曹臻院士表示，這兩大發(fā)現(xiàn)不僅揭示宇宙線起源的關鍵機制，也為理解黑洞系統(tǒng)的極端物理過程打開新窗口。
兩項成果論文由中國科學院高能所、南京大學、中國科學技術大學、羅馬第一大學等機構的科研人員合作完成，近日已分別發(fā)表于學術期刊《國家科學評論》(英文版)與《科學通報》(英文版)。
首探5個微類星體超高能伽馬射線
“拉索”團隊介紹說，處于雙星系統(tǒng)中的黑洞在吸積伴星物質(zhì)時可產(chǎn)生相對論性噴流，形成“微類星體”。本項研究中，“拉索”首次系統(tǒng)性探測到來自編號分別為SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070、Cygnus X-1等5個微類星體的超高能伽馬射線。
其中，SS 433的超高能輻射與周圍巨型原子云重合，強烈暗示來自于被黑洞加速的高能質(zhì)子與物質(zhì)的碰撞。分析表明其加速的質(zhì)子能量超過1拍電子伏，總功率高達約每秒10的32次方焦耳，相當于每秒釋放400萬億顆人造最強炸彈(“沙皇”氫彈)的能量。
來自V4641 Sgr的伽馬射線能量達到0.8拍電子伏，成為又一個“超級拍電子伏粒子加速器”，即產(chǎn)生這些伽馬射線的父輩粒子能量超過10拍電子伏。
這使得微類星體成為銀河系內(nèi)非常重要的一類拍電子伏粒子加速器，從而解決了困擾科學家多年的一個難題：銀河系內(nèi)公認的宇宙線源是超新星遺跡，但觀測和理論都發(fā)現(xiàn)它們無力將宇宙線加速到宇宙線“膝”及以上的高能量。
揭示銀河系內(nèi)存在多種類加速源
“拉索”團隊指出，宇宙線“膝”大約在3拍電子伏處，此處能量更高的宇宙線數(shù)量急劇減少。近70年前發(fā)現(xiàn)“膝”以來，一直未弄清其成因，只是被猜測為加速源天體加速能力極限所致，呈現(xiàn)為宇宙線能譜從一個簡單的“冪律譜”轉換為另一個簡單的“冪律譜”。
11月16日，北京，中國科學院高能所新聞發(fā)布會上，“拉索”團隊回答媒體提問。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝要真正理解這個問題，必須精確測量宇宙線各成分的能譜及各自的“膝”。首先是最輕的原子核——質(zhì)子的能譜分布，然而，“膝”區(qū)的宇宙線稀少，衛(wèi)星探測器面積有限，探測如同大海撈針；地面實驗受大氣層干擾，很難清晰地將質(zhì)子從大量其他原子核產(chǎn)生的事例中識別出來，因此，長期以來這一測量是公認不可能完成的任務。
“拉索”巧妙利用其強大的地面觀測裝置，采用多參數(shù)測量技術成功篩選出大統(tǒng)計量的高純度質(zhì)子樣本，從而精確測量其能譜，精度媲美衛(wèi)星實驗。
這一突破性的測量揭示完全超出預期的能譜結構，清晰展現(xiàn)出一個新的“高能組分”而非簡單的冪律轉換?！袄鳌钡男陆Y果與國際空間站阿爾法磁譜儀2(AMS-02)測得的低能組分、中國“悟空號”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星測得的中能組分一起，揭示銀河系內(nèi)存在多種類的加速源，每一類有各自獨特的加速能力和能量范圍，而宇宙線“膝”正是產(chǎn)生高能組分的源的加速極限表現(xiàn)。
實現(xiàn)“一箭雙雕”精確探測
質(zhì)子能譜的復雜結構表明，拍電子伏能段的宇宙線質(zhì)子主要來自微類星體這類“新源”，它們具有明顯高于超新星遺跡的加速極限，能夠產(chǎn)生超過“膝”的高能宇宙線。兩項成果相互印證，構建起一個完整的科學圖景，這不僅為解決困擾學界近70年的宇宙線“膝區(qū)成因”難題邁出關鍵一步，也為理解黑洞在宇宙線起源中的作用提供重要觀測證據(jù)。
這次研究為何能破解宇宙線“膝”形成之謎？“拉索”團隊形象比喻稱，如果說之前對宇宙線、黑洞吸積噴流的探測效果，就像“胡子眉毛一把抓”“花生瓜子一把抓”難以分辨清楚，而“拉索”的復合型探測器陣列設計，則實現(xiàn)對宇宙線和天體源“一箭雙雕”的精確探測。
“拉索”既能夠通過超高能伽馬射線探測宇宙射線的源天體，也能夠對太陽系附近的宇宙線粒子進行精確測量；既從天體源端看到拍電子伏能量的加速能力，又從宇宙線端看到這類源所貢獻的能譜特征，其探測效果就如同能清晰分辨雙胞胎一樣。
為全球科學事業(yè)作出重要貢獻
由中國科學家自主設計、建設并運行的“拉索”，憑借在伽馬天文探測與宇宙線精確測量兩方面的高靈敏度，現(xiàn)已在高能伽馬射線天文和宇宙線物理領域處于領先地位，且持續(xù)取得具有全球影響力的突破性成果。
資料圖：海拔4410米的“拉索”的探測器(局部)。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝這些成就彰顯中國在基礎科學研究領域的創(chuàng)新實力，體現(xiàn)中國智慧對人類文明的貢獻，尤其是在對宇宙極端物理過程的認知層面。
“而這只是中國深度參與科學研究的一個縮影：即便在遠離日常生活的自然科學前沿領域，中國也在積極作為。通過打造世界級平臺、組建國際團隊、推動人類認知邊界不斷拓展，中國正為全球科學事業(yè)作出重要貢獻。”曹臻院士說。(完)