在地球上寻找宇宙线的源头

拉索测量到宇宙线质子的能谱，与阿尔法磁谱仪2和悟空号等空间探测器一起，揭示了宇宙线存在低能、中能和高能三个组分，暗示了银河宇宙线的多种来源特征。拉索测到的高能组分很有可能来自于图中右上方显示的微类星体，而更低能量的宇宙线质子更可能来自传统的超新星遗迹的加速。左上方展示的是拉索最新发现的一个超新星高能伽马辐射。研究团队供图

　　黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天体之一。近日，中国科学院高能物理研究所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，都与黑洞有关。

　　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。

　　“这几乎颠覆了我们对黑洞的传统理解。”中国科学院院士、拉索首席科学家曹臻说。

位于天鹅座的微类星体Cygnus X-1，是最早发现的微类星体之一。不同颜色表示了拉索测到的伽马射线强度，红色-黄色-白色表现了强度由弱到强的变化。研究团队供图

　　“黑洞一个鲜为人知的重要特性”

　　11月16日，位于北京的中国科学院高能物理研究所多学科大楼内，风已将树叶摇落，这正是引力作用的生动体现。而齐聚在这里的物理学家们，则在共同关注着不知多少光年之外黑洞的引力牵引——那里，宇宙线正被极端引力加速，形成壮观的喷流。

　　当天发布的两项成果，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。它们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，分别发表于《国家科学评论》（英文版）和《科学通报》（英文版）。

　　“这次的发现为何如此特殊？首先，什么是黑洞？大家在传统意义上如何理解黑洞？黑洞是否只是吞噬一切的存在？它疯狂地吸收周围的一切，再也不会吐出，连光都无法逃逸，因此被称为黑洞。然而，我们这次发现了黑洞一个鲜为人知的重要特性：它竟然是一个高能粒子加速器。”曹臻感慨道。

　　据他解释，在吸收物质的过程中，黑洞会释放出大量高能量物质。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”。而这一次，拉索系统性地探测到来自5个微类星体的超高能伽马射线。

　　“大家可以想象一个巨大的漩涡，黑洞就像这样一个漩涡，将周围的物质吸引过来，绕着它旋转，最终落入其中。然而，在旋转过程中，粒子越靠近黑洞，旋转速度越快，从而产生强烈的物质外流抛射。这些抛射出的物质形成了类似风的现象，更强烈的则形成中间的喷柱，称为喷射流。喷射流一旦喷出，便会与周围物质相互作用，成为加速粒子的关键源头。”曹臻试着向记者讲明白这一现象的原理。

　　在这次观测的5个微类星体中，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V4641 Sgr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。

　　这就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。用中国科学院高能物理研究所副所长鲁巍的话说，虽然不能断言这是唯一来源，但这一发现为人类理解宇宙线提供了重要依据，也揭示了宇宙中多种高能粒子产生机制的存在。

　　“宇宙里面有各种不同的产生高能粒子的机制。有些是已经发现，有的其来源至今仍不明确。现有的理论多为猜测或模型，缺乏实验或观测证据支持，这说明宇宙中存在多种尚未被发现的粒子加速机制。而这次我们发现，黑洞很可能是产生高能宇宙线的重要来源之一。”鲁巍对中青报·中青网记者说。

位于南天区的微类星体V4641 Sgr，是拉索测到的具有最高能量的伽马射线源。不同颜色表示了拉索测到的伽马射线强度，红色-黄色-白色表现了强度由弱到强的变化，右下的放大图显示了黑洞附近的x-射线照片，显示了喷流可能的方向和长度。研究团队供图

　　建造拉索，就是想去找宇宙线的源

　　这次发布的成果，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。

　　“这些现象早已被观测到，人们知道喷流的存在及其效应，如粒子加速过程中伴随的强烈X射线和射电波段辐射，甚至低能量伽马射线的辐射。然而，未知的是，这些现象能将粒子加速到如此高的能量，以至于我们能够观测到极高能量的辐射。”曹臻说。

　　据他解释，喷流的加速区域还不是最惊人的。更惊人的是，团队观测到，这些高能量粒子并不完全停留在喷流中，而是在另一个方向被他们观测到。

　　之所以能观测到，是因为目标黑洞周围存在一块由原子气体组成的“云”。这表明，喷出的物质可能不仅朝两个方向喷射，而是向各个方向都有喷射。喷射后的加速粒子到达这片云中，撞击云层，产生出被观测到的超高能光子。而且，这一现象并没有在能量较低的波段里发现，只有超高能光子才在此处产生。

　　“这使得我们意识到，没有先进的观测设备，我们无法发现这一现象。”曹臻说，“我们建造拉索，就是想去找宇宙线的源，现在这个发现，就是一个非常明确的证据，证明我们已经找到了这个源。”

距离地球最近的著名微类星体SS 433。中央绿色的等高线显示出黑洞附近吸积过程产生的x射线分布，左右两侧比较对称的等高线显示了喷流端头粒子加速区发出的x射线分布，与之对应，红色表征了拉索测到的TeV伽马射线辐射分布。靠近中上的黄色显示了拉索首次测到的超高能伽马射线辐射分布，与白色显示的原子气体很好重合，支持超高能伽马射线的强子起源，表明SS 433能够把质子加速到PeV能区。研究团队供图

　　逐步解决宇宙线起源的科学问题

　　拉索由中国科学家自主设计、建设并运行，在伽马天文探测与宇宙线精确测量两方面具备高灵敏度。拉索团队成员、南京大学天文与空间科学学院研究员柳若愚也提到，之前，理论上也曾对黑洞与宇宙线起源的关联有过相关猜测，但都缺乏观测证据。

　　“这是因为之前没有足够灵敏的探测设备，能在超高能区有效观测，无法建立观测与理论的关联。即使有些理论讨论，也未能引起广泛关注。”柳若愚说。

　　而这次，拉索装置凭借前所未有的灵敏度，首次在超高能伽马射线波段清晰观测到这类源的存在，才将黑洞与宇宙线起源直接联系起来。

　　据研究团队解释，拉索的复合型探测器阵列设计，使他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。

　　“寻找宇宙线起源的研究已迈出重要一步。我们已经找到了一个典型例子，且这一例子并非孤例。”曹臻提到，在银河系中，根据其他波段的观测，团队预计在观测范围内应有12个同样的黑洞，目前已发现5个。

　　“随着时间的推移和更多观测证据的积累，我们有望发现更多有趣的、能产生高能量宇宙线的源，逐步解决宇宙线起源的科学问题。”曹臻说。

　　在他看来，这次结果显然是一个重要突破，团队也已经开始推动后续相关工作。“这是我们第一次真正看到一种能对宇宙线产生贡献的天体类型。未来是否会发现更多此类天体，能否通过观测更清晰地了解它们对宇宙线的贡献，将是未来研究的重要内容。”

　　鲁巍也提到，高能宇宙线的研究为高能物理学家“提供了新的思路”，例如通过尾场加速等机制，将少量粒子加速到极高能量，而非追求对撞机的高重复频率和高粒子数。这样可以在实验室中模拟宇宙中的高能物理过程，检验现有理论如量子电动力学在极高能区的适用性，甚至可能发现新的物理现象。

　　曹臻也思考了一个问题，如今，研究团队已经用黑洞解释了现有最高能量级的宇宙线现象，未来如果出现更高能量的新现象，还有什么工具和理论来解释？

　　“这是一个非常有趣的问题。领域内的专家们正聚焦于尽快找到下一个观测范本，这是一个巨大挑战和有趣的研究话题。再往下探测，会不会又出现一个新的‘鼓包’？”他充满期待地说，“我们还不能确定，这确实难以预测，这些都是我们未来需要去探索的问题。”

　　他坦承，这些遥不可及的黑洞、宇宙线的问题，暂时都无法转化为科技成果，是基础研究中的基础研究。

　　但正如中国科学院院士、实验高能物理学家王贻芳曾经在采访中对中青报·中青网记者所说的那样，这些看上去“暂时没什么用”的物理学重大突破，最终都会“推动文明的发展”。

来源：中国青年报