拉索破解宇宙線“膝”形成之謎 | 科技前線

11月16日，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）發(fā)布兩項科學(xué)成果。中國科學(xué)院高能物理研究所等團(tuán)隊通過觀測發(fā)現(xiàn)，黑洞吸積驅(qū)動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（PeV）能段；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。此次發(fā)現(xiàn)不僅揭示了宇宙線起源的關(guān)鍵機(jī)制，也為理解黑洞系統(tǒng)的極端物理過程開辟了一條新途徑。

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解決困擾多年難題

黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一，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”。

拉索首次系統(tǒng)性地探測到來自SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070與Cygnus X-1等五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(qiáng)烈暗示來自于被黑洞加速的高能質(zhì)子與物質(zhì)的碰撞。

▲拉索破解宇宙線“膝”形成之謎

分析表明，該系統(tǒng)加速的質(zhì)子能量超過1PeV，總功率高達(dá)約每秒1032焦耳。而來自V4641 Sgr的伽馬射線能量達(dá)到0.8PeV，成為又一個“超級PeV粒子加速器”，即產(chǎn)生這些伽馬射線的父輩粒子能量超過10PeV。這使得微類星體成為銀河系內(nèi)非常重要的一類PeV粒子加速器，這解決了困擾科學(xué)家多年的一個難題：銀河系內(nèi)公認(rèn)的宇宙線源是超新星遺跡，但觀測和理論都發(fā)現(xiàn)它們無法將宇宙線加速到“膝”及以上的高能量。

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完成“不可能完成”的任務(wù)

宇宙線能量分布圖上有一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，由于其形狀酷似人的膝蓋，被稱為“膝”，大約在3PeV處，能量更高的宇宙線數(shù)量急劇減少。長期以來，測量“膝區(qū)”的宇宙線質(zhì)子能譜被認(rèn)為是“不可能完成”的任務(wù)。拉索巧妙利用其強(qiáng)大的地面觀測裝置，采用多參數(shù)測量技術(shù)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了完全超出預(yù)期的能譜結(jié)構(gòu)，清晰展現(xiàn)出一個新的“高能組分”。

拉索的復(fù)合型探測器陣列設(shè)計，使科學(xué)家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?qū)μ栂蹈浇挠钪婢€粒子進(jìn)行精確測量，既從天體源端看到了PeV能量的加速能力，又從宇宙線端看到了這類源所貢獻(xiàn)的能譜特征。

這是第一次在觀測上將“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。質(zhì)子能譜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)表明，PeV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(gòu)建起一個完整的科學(xué)圖景。這不僅為解決困擾學(xué)界近70年的“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了重要的觀測證據(jù)。

來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

責(zé)任編輯：宋同舟