封面新聞?dòng)浾?趙雨笙

日前，位于四川的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）傳來最新科研成果，在銀河系中有五個(gè)由黑洞與被其吸積的恒星構(gòu)成的微類星體可將宇宙中的粒子加速到極高能量。這一發(fā)現(xiàn)，破解了困擾科學(xué)界近70年的未解之謎——宇宙線質(zhì)子能譜上形似人膝蓋的拐折結(jié)構(gòu)從哪里來。

位于四川省稻城縣的高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）。圖據(jù)中國科學(xué)院

這一成果為理解黑洞在宇宙線起源中的作用提供了什么證據(jù)？該發(fā)現(xiàn)為理解黑洞系統(tǒng)的極端物理過程開辟了哪些新思路？記者專訪中國科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員、“拉索”首席科學(xué)家曹臻。

破解謎題

微類星體是強(qiáng)大的粒子加速器

黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一，被視為吞噬一切的“終結(jié)者”。“拉索”的最新發(fā)現(xiàn)可能顛覆這一認(rèn)知，證實(shí)黑洞還是超高能宇宙射線的源頭。

處于雙星系統(tǒng)中的黑洞，憑借強(qiáng)大的引力不斷吞噬伴星物質(zhì)。在此過程中，部分物質(zhì)會(huì)以噴流形式噴射出來，這種既有吸積也有噴流的黑洞就是微類星體。

宇宙線是來自宇宙空間的高能帶電粒子，因其攜帶宇宙起源、天體演化、太陽活動(dòng)等重要信息被稱為傳遞宇宙大事件的“信使”。宇宙線能量分布圖上有一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因形似人的膝蓋而被稱為“膝”，其成因一直是待解之謎。

“拉索”此次的發(fā)現(xiàn)，直接指向了一類宇宙中的特殊系統(tǒng)——微類星體。

“拉索”發(fā)現(xiàn)，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，可將宇宙線加速至“膝”及以上的高能量。

中國科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻。受訪者供圖

曹臻告訴記者，“拉索”首次捕捉到來自五個(gè)微類星體的超高能伽馬射線信號(hào)，結(jié)合“拉索”精確測量出的宇宙線能譜，研究人員發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這些伽馬射線的粒子能量正處于宇宙線能譜的“膝”區(qū)。

他進(jìn)一步指出，這表明銀河系里存在多種“粒子加速器”。微類星體具有明顯高于超新星遺跡的加速極限，能達(dá)到“膝”的能量門檻，成為高能宇宙線的新來源。

“考古”宇宙

為理解黑洞系統(tǒng)開辟新途徑

“膝”是宇宙線能譜（宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在3拍電子伏后呈現(xiàn)的一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)。近70年前被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家曾猜測其為加速源天體加速能力極限所致。對這一問題的深入理解必須精確測量宇宙線各成分的能譜及各自的“膝”，但長期以來這一測量被認(rèn)為不可能完成。

這次通過位于稻城縣海拔4410米的海子山，包括5216臺(tái)閃爍體探測器和1188臺(tái)埋在地下的水切倫科夫探測器在內(nèi)的“拉索”探測器陣列，捕捉到從宇宙深處飛來的宇宙線信號(hào)，意味著什么？

“拉索”最新研究成果日前發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)（英文版）》。圖據(jù)受訪者

曹臻指出，這次觀測不僅完成了對“膝”區(qū)質(zhì)子能譜的精確刻畫，更為重要的是首次發(fā)現(xiàn)超出預(yù)期的高能組分能譜結(jié)構(gòu)?！跋ァ辈⒎呛唵无D(zhuǎn)折，而是出現(xiàn)似“膝蓋”一樣的“鼓包”，這種“鼓包”意味著可能有新成分出現(xiàn)。

他告訴記者，銀河系內(nèi)公認(rèn)的宇宙線源是超新星遺跡，也就是大質(zhì)量恒星爆炸后的殘骸。但觀測和理論都發(fā)現(xiàn)它們無力將宇宙線加速到“膝”及以上的高能量。這次觀測成果認(rèn)為，銀河系內(nèi)存在多種類宇宙線源，而黑洞是最有可能的宇宙線源之一?！皩⒂钪婢€加速到‘膝’以上的，是黑洞吸積驅(qū)動(dòng)的微類星體?！?/p>

“宇宙線來自哪里，如何被加速到如此之高的能量，一直是困擾科學(xué)家的問題?！辈苷檎f。

曹臻舉例，就像古生物學(xué)家通過分析化石，就可以推測數(shù)百萬年前的環(huán)境。天體物理學(xué)家接收到幾十億年前的星星發(fā)來的射線，就可以通過這束射線研究幾十億年前的宇宙。他形象地把宇宙線研究比喻成“考宇宙的古”。

在他看來，這次發(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。