中国“拉索”破解宇宙线“膝”形成之谜：黑洞高能加速器驱动
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《幻星辰一区麻豆》 中国“拉索”破解宇宙线“膝”形成之谜：黑洞高能加速器驱动
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。
11月16日，北京，曹臻院士发布并解读“拉索”观测研究取得的最新两项重要成果。中新网记者 孙自法 摄
“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”。
11月16日，北京，中国科学院高能所新闻发布会上，“拉索”团队回答媒体提问。中新网记者 孙自法 摄
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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”暗物质料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。
资料图：海拔4410米的“拉索”的探测器(局部)。中新网记者 孙自法 摄
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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