記者11月16日從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所獲悉，位于甘孜州稻城縣的高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）首次系統(tǒng)性探測(cè)到五個(gè)由黑洞和伴星相互作用形成的微類星體的超高能伽馬射線信號(hào)，產(chǎn)生這些輻射的粒子能量處于宇宙線能譜的“膝”區(qū)。此次研究由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)完成，相關(guān)論文成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（英文版）和《科學(xué)通報(bào)》（英文版）上發(fā)表。

高能伽馬射線源，被認(rèn)為是宇宙線起源線索。“膝”是宇宙線的能譜（宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在3千萬(wàn)億電子伏附近呈現(xiàn)出的一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)，形狀類似人體膝關(guān)節(jié)。“膝”及以上能量更高的宇宙線數(shù)量急劇減少。這一發(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)的極端物理過程打開了新窗口。

據(jù)介紹，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(shí)可產(chǎn)生相對(duì)論性噴流，形成“微類星體”。拉索首次系統(tǒng)性地探測(cè)到來自SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070與Cygnus X-1等五個(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)烈暗示來自于被黑洞加速的高能質(zhì)子與物質(zhì)的碰撞。分析表明該系統(tǒng)加速的質(zhì)子能量超過1 PeV，總功率高達(dá)約每秒1032焦耳，相當(dāng)于每秒釋放四百萬(wàn)億顆人造最強(qiáng)炸彈——“沙皇”氫彈的能量。而來自V4641 Sgr的伽馬射線能量達(dá)到0.8 PeV，成為又一個(gè)“超級(jí)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10 PeV。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，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)它們無力將宇宙線加速到宇宙線“膝”及以上的高能量。

“拉索”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士曹臻介紹，近70年前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“膝”以來，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”。要真正理解這個(gè)問題，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。長(zhǎng)期以來，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)量揭示了完全超出預(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AMS-02測(cè)得的低能組分、“悟空號(hào)”測(cè)得的中能組分一起，揭示了銀河系內(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“膝”正是產(chǎn)生高能組分的源的加速極限表現(xiàn)。

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(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“膝區(qū)成因”難題邁出了關(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(cè)證據(jù)。

拉索的復(fù)合型探測(cè)器陣列設(shè)計(jì)，使我們既能夠通過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(cè)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。

高海拔宇宙線觀測(cè)站由中國(guó)科學(xué)家自主設(shè)計(jì)、建設(shè)并運(yùn)行。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，該觀測(cè)站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。這些成就彰顯了中國(guó)在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力，體現(xiàn)了中國(guó)智慧對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)，尤其是在對(duì)宇宙極端物理過程的認(rèn)知層面。