“拉索”首次揭示黑洞在宇宙线起源中的作用

中国青年报客户端北京11月16日电（中青报·中青网记者 张渺）今天，中国科学院高能物理研究所在北京发布了高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）两项具有里程碑意义的科学成果，由中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、罗马第一大学等机构完成。其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（PeV，1PeV=1000万亿电子伏）能段；另一项成果是宇宙线质子能谱“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。

这两项成果分别发表于《国家科学评论》（英文版）和《科学通报》（英文版），不仅揭示了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开辟了一条新途径。

黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天体之一，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”。拉索首次系统性地探测到来自五个微类星体的超高能伽马射线。其中，微类星体SS433的超高能辐射与周围巨型原子云重合，强烈暗示来自被黑洞加速的高能质子与物质的碰撞。分析表明该系统加速的质子能量超过1PeV，总功率约每秒1032焦耳。而来自微类星体V4641Sgr的伽马射线能量达到0.8PeV，成为又一个“超级PeV粒子加速器”，即产生这些伽马射线的父辈粒子能量超过10PeV。这使得微类星体成为银河系内非常重要的一类PeV粒子加速器，这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。

据拉索团队解释，宇宙线能量分布图上有一个关键转折点，由于其形状酷似人的膝盖，称为“膝”，大约在3PeV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”。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。

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了完全超出预期的能谱结构，清晰展现出一个新的“高能组分”。拉索的新结果与阿尔法磁谱仪测得的低能组分、“悟空号”卫星测得的中能组分一起，揭示了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“膝”正是产生高能组分的源的加速极限表现。

质子能谱的复杂结构表明，PeV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“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了重要的观测证据。

拉索的复合型探测器阵列设计，使我们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，既从天体源端看到了PeV能量的加速能力，又从宇宙线端看到了这类源所贡献的能谱特征。这是第一次在观测上将“膝”结构与具体类型的天体——黑洞喷流系统关联起来。

高海拔宇宙线观测站由中国科学家自主设计、建设并运行。

来源：中国青年报客户端