拉索測(cè)量到宇宙線質(zhì)子的能譜，與阿爾法磁譜儀2和悟空號(hào)等空間探測(cè)器一起，揭示了宇宙線存在低能、中能和高能三個(gè)組分，暗示了銀河宇宙線的多種來源特征。拉索測(cè)到的高能組分很有可能來自于圖中右上方顯示的微類星體，而更低能量的宇宙線質(zhì)子更可能來自傳統(tǒng)的超新星遺跡的加速。左上方展示的是拉索最新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)超新星高能伽馬輻射。

　　黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一。近日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所發(fā)布了高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，拉索）兩項(xiàng)具有里程碑意義的科學(xué)成果，都與黑洞有關(guān)。

　　其一是黑洞吸積驅(qū)動(dòng)的微類星體是銀河系中強(qiáng)大的粒子加速器，能夠?qū)①|(zhì)子加速至拍電子伏（PeV，1PeV=1000萬億電子伏）能段；另一項(xiàng)成果是宇宙線質(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。

　　“這幾乎顛覆了我們對(duì)黑洞的傳統(tǒng)理解。”中國(guó)科學(xué)院院士、拉索首席科學(xué)家曹臻說。

　　位于天鵝座的微類星體Cygnus X-1，是最早發(fā)現(xiàn)的微類星體之一。不同顏色表示了拉索測(cè)到的伽馬射線強(qiáng)度，紅色-黃色-白色表現(xiàn)了強(qiáng)度由弱到強(qiáng)的變化。

　　“黑洞一個(gè)鮮為人知的重要特性”

　　11月16日，位于北京的中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所多學(xué)科大樓內(nèi)，風(fēng)已將樹葉搖落，這正是引力作用的生動(dòng)體現(xiàn)。而齊聚在這里的物理學(xué)家們，則在共同關(guān)注著不知多少光年之外黑洞的引力牽引——那里，宇宙線正被極端引力加速，形成壯觀的噴流。

　　當(dāng)天發(fā)布的兩項(xiàng)成果，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。它們由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、羅馬第一大學(xué)等機(jī)構(gòu)完成，分別發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（英文版）和《科學(xué)通報(bào)》（英文版）。

　　“這次的發(fā)現(xiàn)為何如此特殊？首先，什么是黑洞？大家在傳統(tǒng)意義上如何理解黑洞？黑洞是否只是吞噬一切的存在？它瘋狂地吸收周圍的一切，再也不會(huì)吐出，連光都無法逃逸，因此被稱為黑洞。然而，我們這次發(fā)現(xiàn)了黑洞一個(gè)鮮為人知的重要特性：它竟然是一個(gè)高能粒子加速器。”曹臻感慨道。

　　據(jù)他解釋，在吸收物質(zhì)的過程中，黑洞會(huì)釋放出大量高能量物質(zhì)。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”。而這一次，拉索系統(tǒng)性地探測(cè)到來自5個(gè)微類星體的超高能伽馬射線。

　　“大家可以想象一個(gè)巨大的漩渦，黑洞就像這樣一個(gè)漩渦，將周圍的物質(zhì)吸引過來，繞著它旋轉(zhuǎn)，最終落入其中。然而，在旋轉(zhuǎn)過程中，粒子越靠近黑洞，旋轉(zhuǎn)速度越快，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的物質(zhì)外流拋射。這些拋射出的物質(zhì)形成了類似風(fēng)的現(xiàn)象，更強(qiáng)烈的則形成中間的噴柱，稱為噴射流。噴射流一旦噴出，便會(huì)與周圍物質(zhì)相互作用，成為加速粒子的關(guān)鍵源頭。”曹臻試著向記者講明白這一現(xiàn)象的原理。

　　在這次觀測(cè)的5個(gè)微類星體中，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1PeV，總功率約每秒1032焦耳。而來自微類星體V4641 Sgr的伽馬射線能量達(dá)到0.8PeV，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10PeV。

　　這就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。用中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)魯巍的話說，雖然不能斷言這是唯一來源，但這一發(fā)現(xiàn)為人類理解宇宙線提供了重要依據(jù)，也揭示了宇宙中多種高能粒子產(chǎn)生機(jī)制的存在。

　　“宇宙里面有各種不同的產(chǎn)生高能粒子的機(jī)制。有些是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有的其來源至今仍不明確。現(xiàn)有的理論多為猜測(cè)或模型，缺乏實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)證據(jù)支持，這說明宇宙中存在多種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子加速機(jī)制。而這次我們發(fā)現(xiàn)，黑洞很可能是產(chǎn)生高能宇宙線的重要來源之一。”魯巍對(duì)中青報(bào)·中青網(wǎng)記者說。

　　位于南天區(qū)的微類星體V4641 Sgr，是拉索測(cè)到的具有最高能量的伽馬射線源。不同顏色表示了拉索測(cè)到的伽馬射線強(qiáng)度，紅色-黃色-白色表現(xiàn)了強(qiáng)度由弱到強(qiáng)的變化，右下的放大圖顯示了黑洞附近的x-射線照片，顯示了噴流可能的方向和長(zhǎng)度。

　　建造拉索，就是想去找宇宙線的源

　　這次發(fā)布的成果，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。

　　據(jù)拉索團(tuán)隊(duì)解釋，宇宙線能量分布圖上有一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由于其形狀酷似人的膝蓋，稱為“膝”，大約在3PeV處，能量更高的宇宙線數(shù)量急劇減少。近70年前發(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”。

　　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”。

　　拉索的新結(jié)果與阿爾法磁譜儀測(cè)得的低能組分、“悟空號(hào)”衛(wèi)星測(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)。

　　“這些現(xiàn)象早已被觀測(cè)到，人們知道噴流的存在及其效應(yīng)，如粒子加速過程中伴隨的強(qiáng)烈X射線和射電波段輻射，甚至低能量伽馬射線的輻射。然而，未知的是，這些現(xiàn)象能將粒子加速到如此高的能量，以至于我們能夠觀測(cè)到極高能量的輻射。”曹臻說。

　　據(jù)他解釋，噴流的加速區(qū)域還不是最驚人的。更驚人的是，團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到，這些高能量粒子并不完全停留在噴流中，而是在另一個(gè)方向被他們觀測(cè)到。

　　之所以能觀測(cè)到，是因?yàn)槟繕?biāo)黑洞周圍存在一塊由原子氣體組成的“云”。這表明，噴出的物質(zhì)可能不僅朝兩個(gè)方向噴射，而是向各個(gè)方向都有噴射。噴射后的加速粒子到達(dá)這片云中，撞擊云層，產(chǎn)生出被觀測(cè)到的超高能光子。而且，這一現(xiàn)象并沒有在能量較低的波段里發(fā)現(xiàn)，只有超高能光子才在此處產(chǎn)生。

　　“這使得我們意識(shí)到，沒有先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備，我們無法發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。”曹臻說，“我們建造拉索，就是想去找宇宙線的源，現(xiàn)在這個(gè)發(fā)現(xiàn)，就是一個(gè)非常明確的證據(jù)，證明我們已經(jīng)找到了這個(gè)源。”

　　距離地球最近的著名微類星體SS 433。中央綠色的等高線顯示出黑洞附近吸積過程產(chǎn)生的x射線分布，左右兩側(cè)比較對(duì)稱的等高線顯示了噴流端頭粒子加速區(qū)發(fā)出的x射線分布，與之對(duì)應(yīng)，紅色表征了拉索測(cè)到的TeV伽馬射線輻射分布。靠近中上的黃色顯示了拉索首次測(cè)到的超高能伽馬射線輻射分布，與白色顯示的原子氣體很好重合，支持超高能伽馬射線的強(qiáng)子起源，表明SS 433能夠把質(zhì)子加速到PeV能區(qū)。

　　逐步解決宇宙線起源的科學(xué)問題

　　拉索由中國(guó)科學(xué)家自主設(shè)計(jì)、建設(shè)并運(yùn)行，在伽馬天文探測(cè)與宇宙線精確測(cè)量?jī)煞矫婢邆涓哽`敏度。拉索團(tuán)隊(duì)成員、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院研究員柳若愚也提到，之前，理論上也曾對(duì)黑洞與宇宙線起源的關(guān)聯(lián)有過相關(guān)猜測(cè)，但都缺乏觀測(cè)證據(jù)。

　　“這是因?yàn)橹皼]有足夠靈敏的探測(cè)設(shè)備，能在超高能區(qū)有效觀測(cè)，無法建立觀測(cè)與理論的關(guān)聯(lián)。即使有些理論討論，也未能引起廣泛關(guān)注。”柳若愚說。

　　而這次，拉索裝置憑借前所未有的靈敏度，首次在超高能伽馬射線波段清晰觀測(cè)到這類源的存在，才將黑洞與宇宙線起源直接聯(lián)系起來。

　　據(jù)研究團(tuán)隊(duì)解釋，拉索的復(fù)合型探測(cè)器陣列設(shè)計(jì)，使他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栂蹈浇挠钪婢€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。

　　“尋找宇宙線起源的研究已邁出重要一步。我們已經(jīng)找到了一個(gè)典型例子，且這一例子并非孤例。”曹臻提到，在銀河系中，根據(jù)其他波段的觀測(cè)，團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)在觀測(cè)范圍內(nèi)應(yīng)有12個(gè)同樣的黑洞，目前已發(fā)現(xiàn)5個(gè)。

　　“隨著時(shí)間的推移和更多觀測(cè)證據(jù)的積累，我們有望發(fā)現(xiàn)更多有趣的、能產(chǎn)生高能量宇宙線的源，逐步解決宇宙線起源的科學(xué)問題。”曹臻說。

　　在他看來，這次結(jié)果顯然是一個(gè)重要突破，團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)開始推動(dòng)后續(xù)相關(guān)工作。“這是我們第一次真正看到一種能對(duì)宇宙線產(chǎn)生貢獻(xiàn)的天體類型。未來是否會(huì)發(fā)現(xiàn)更多此類天體，能否通過觀測(cè)更清晰地了解它們對(duì)宇宙線的貢獻(xiàn)，將是未來研究的重要內(nèi)容。”

　　魯巍也提到，高能宇宙線的研究為高能物理學(xué)家“提供了新的思路”，例如通過尾場(chǎng)加速等機(jī)制，將少量粒子加速到極高能量，而非追求對(duì)撞機(jī)的高重復(fù)頻率和高粒子數(shù)。這樣可以在實(shí)驗(yàn)室中模擬宇宙中的高能物理過程，檢驗(yàn)現(xiàn)有理論如量子電動(dòng)力學(xué)在極高能區(qū)的適用性，甚至可能發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象。

　　曹臻也思考了一個(gè)問題，如今，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)用黑洞解釋了現(xiàn)有最高能量級(jí)的宇宙線現(xiàn)象，未來如果出現(xiàn)更高能量的新現(xiàn)象，還有什么工具和理論來解釋？

　　“這是一個(gè)非常有趣的問題。領(lǐng)域內(nèi)的專家們正聚焦于盡快找到下一個(gè)觀測(cè)范本，這是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)和有趣的研究話題。再往下探測(cè)，會(huì)不會(huì)又出現(xiàn)一個(gè)新的‘鼓包’？”他充滿期待地說，“我們還不能確定，這確實(shí)難以預(yù)測(cè)，這些都是我們未來需要去探索的問題。”

　　他坦承，這些遙不可及的黑洞、宇宙線的問題，暫時(shí)都無法轉(zhuǎn)化為科技成果，是基礎(chǔ)研究中的基礎(chǔ)研究。

　　但正如中國(guó)科學(xué)院院士、實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)家王貽芳曾經(jīng)在采訪中對(duì)中青報(bào)·中青網(wǎng)記者所說的那樣，這些看上去“暫時(shí)沒什么用”的物理學(xué)重大突破，最終都會(huì)“推動(dòng)文明的發(fā)展”。