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(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，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(méi)有關(guān)聯(lián)、有何關(guān)聯(lián)、如何關(guān)聯(lián)……這些議題雖備受關(guān)注，但受觀測(cè)設(shè)備條件所限，學(xué)界此前知之甚少。
來(lái)自中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(高能所)的消息說(shuō)，得益于該所建設(shè)運(yùn)行的大科學(xué)裝置高海拔宇宙線觀測(cè)站(英文縮寫(xiě)LHAASO，中文昵稱“拉索”)的最新觀測(cè)研究，由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)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(wàn)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(cè)上將宇宙線“膝”結(jié)構(gòu)與具體類型的天體黑洞噴流系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)。
兩項(xiàng)里程碑意義科學(xué)成果發(fā)布
11月16日，中國(guó)科學(xué)院高能所在北京發(fā)布“拉索”觀測(cè)發(fā)現(xiàn)兩項(xiàng)具有里程碑意義的科學(xué)成果：一是黑洞吸積驅(qū)動(dòng)的微類星體是銀河系中強(qiáng)大的粒子加速器，能夠?qū)①|(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(yù)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(cè)研究取得的最新兩項(xiàng)重要成果。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝“拉索”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)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(guān)鍵機(jī)制，也為理解黑洞系統(tǒng)的極端物理過(guò)程打開(kāi)新窗口。
兩項(xiàng)成果論文由中國(guó)科學(xué)院高能所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、羅馬第一大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科研人員合作完成，近日已分別發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(英文版)與《科學(xué)通報(bào)》(英文版)。
首探5個(gè)微類星體超高能伽馬射線
“拉索”團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，處于雙星系統(tǒng)中的黑洞在吸積伴星物質(zhì)時(shí)可產(chǎn)生相對(duì)論性噴流，形成“微類星體”。本項(xiàng)研究中，“拉索”首次系統(tǒng)性探測(cè)到來(lái)自編號(hào)分別為SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070、Cygnus X-1等5個(gè)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(qiáng)烈暗示來(lái)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(guò)1拍電子伏，總功率高達(dá)約每秒10的32次方焦耳，相當(dāng)于每秒釋放400萬(wàn)億顆人造最強(qiáng)炸彈(“沙皇”氫彈)的能量。
來(lái)自V4641 Sgr的伽馬射線能量達(dá)到0.8拍電子伏，成為又一個(gè)“超級(jí)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(guò)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(xué)家多年的一個(gè)難題：銀河系內(nèi)公認(rèn)的宇宙線源是超新星遺跡，但觀測(cè)和理論都發(fā)現(xiàn)它們無(wú)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(tuán)隊(duì)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(lái)，一直未弄清其成因，只是被猜測(cè)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(gè)簡(jiǎn)單的“冪律譜”轉(zhuǎn)換為另一個(gè)簡(jiǎn)單的“冪律譜”。
11月16日，北京，中國(guó)科學(xué)院高能所新聞發(fā)布會(huì)上，“拉索”團(tuán)隊(duì)回答媒體提問(wèn)。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝要真正理解這個(gè)問(wèn)題，必須精確測(cè)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(cè)器面積有限，探測(cè)如同大海撈針；地面實(shí)驗(yàn)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(shí)別出來(lái)，因此，長(zhǎng)期以來(lái)這一測(cè)量是公認(rèn)不可能完成的任務(wù)。
“拉索”巧妙利用其強(qiáng)大的地面觀測(cè)裝置，采用多參數(shù)測(cè)量技術(shù)成功篩選出大統(tǒng)計(jì)量的高純度質(zhì)子樣本，從而精確測(cè)量其能譜，精度媲美衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)。
這一突破性的測(cè)量揭示完全超出預(yù)期的能譜結(jié)構(gòu)，清晰展現(xiàn)出一個(gè)新的“高能組分”而非簡(jiǎn)單的冪律轉(zhuǎn)換。“拉索”的新結(jié)果與國(guó)際空間站阿爾法磁譜儀2(AMS-02)測(cè)得的低能組分、中國(guó)“悟空號(hào)”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星測(cè)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(dú)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(shí)現(xiàn)“一箭雙雕”精確探測(cè)
質(zhì)子能譜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)表明，拍電子伏能段的宇宙線質(zhì)子主要來(lái)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(guò)“膝”的高能宇宙線。兩項(xiàng)成果相互印證，構(gòu)建起一個(gè)完整的科學(xué)圖景，這不僅為解決困擾學(xué)界近70年的宇宙線“膝區(qū)成因”難題邁出關(guān)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(cè)證據(jù)。
這次研究為何能破解宇宙線“膝”形成之謎？“拉索”團(tuán)隊(duì)形象比喻稱，如果說(shuō)之前對(duì)宇宙線、黑洞吸積噴流的探測(cè)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(fù)合型探測(cè)器陣列設(shè)計(jì)，則實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙線和天體源“一箭雙雕”的精確探測(cè)。
“拉索”既能夠通過(guò)超高能伽馬射線探測(cè)宇宙射線的源天體，也能夠?qū)μ?yáng)系附近的宇宙線粒子進(jìn)行精確測(cè)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(xiàn)的能譜特征，其探測(cè)效果就如同能清晰分辨雙胞胎一樣。
為全球科學(xué)事業(yè)作出重要貢獻(xiàn)
由中國(guó)科學(xué)家自主設(shè)計(jì)、建設(shè)并運(yùn)行的“拉索”，憑借在伽馬天文探測(cè)與宇宙線精確測(cè)量?jī)煞矫娴母哽`敏度，現(xiàn)已在高能伽馬射線天文和宇宙線物理領(lǐng)域處于領(lǐng)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(cè)器(局部)。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝這些成就彰顯中國(guó)在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力，體現(xiàn)中國(guó)智慧對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)，尤其是在對(duì)宇宙極端物理過(guò)程的認(rèn)知層面。
“而這只是中國(guó)深度參與科學(xué)研究的一個(gè)縮影：即便在遠(yuǎn)離日常生活的自然科學(xué)前沿領(lǐng)域，中國(guó)也在積極作為。通過(guò)打造世界級(jí)平臺(tái)、組建國(guó)際團(tuán)隊(duì)、推動(dòng)人類認(rèn)知邊界不斷拓展，中國(guó)正為全球科學(xué)事業(yè)作出重要貢獻(xiàn)。”曹臻院士說(shuō)。(完)