11月16日,“拉索破解宇宙線‘膝’形成之謎”成果新聞發(fā)布會(huì)在北京高能所召開,發(fā)布高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO,拉索)兩項(xiàng)具有里程碑意義的科學(xué)成果,分別發(fā)表于《National Science Review》與《Science Bulletin》,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。觀測(cè)發(fā)現(xiàn):1)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)能段;2)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(guò)程開辟了一條新途徑。
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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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,這解決了困擾科學(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(wú)力將宇宙線加速到宇宙線“膝”及以上的高能量。
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3 PeV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(lái),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(wèn)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(lái)。長(zhǎng)期以來(lái)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)。

圖:拉索測(cè)得的“膝區(qū)”宇宙線質(zhì)子能譜(紅點(diǎn))與AMS-02測(cè)得的低能組分(黑色方塊)、“悟空號(hào)”測(cè)得的中能組分(藍(lán)色方塊)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(lái)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(guò)“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)。
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(guò)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(lái)。
出席此次新聞發(fā)布會(huì)的嘉賓包括國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)數(shù)學(xué)物理科學(xué)部天文科學(xué)處項(xiàng)目主任顏景志、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)與基礎(chǔ)研究局副局長(zhǎng)李煜輝和天文力學(xué)副處長(zhǎng)毛羽豐、《中國(guó)科學(xué)》雜志社副總經(jīng)理安瑞、《National Science Review》編輯部主任王貴林、《Science Bulletin》執(zhí)行主編高原寧院士,及高能所的李惕碚院士、王貽芳院士、曹臻院士、所長(zhǎng)曹俊和副所長(zhǎng)董宇輝、魯巍,以及LHAASO國(guó)際合作組的部分科研代表和多家媒體記者,共計(jì)70余人親臨現(xiàn)場(chǎng),部分媒體記者通過(guò)線上方式參與。

發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)
會(huì)議由董宇輝副所長(zhǎng)主持。在領(lǐng)導(dǎo)致辭環(huán)節(jié)中,曹俊所長(zhǎng)表達(dá)了對(duì)各位嘉賓及媒體記者的熱烈歡迎,并對(duì)LHAASO合作組的成果給予高度肯定。隨后,顏景志主任和李煜輝副局長(zhǎng)也分別致辭,贊揚(yáng)LHAASO合作組的成就,并指出這些成果在我國(guó)自主創(chuàng)辦的頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表,是習(xí)近平總書記“鼓勵(lì)重大基礎(chǔ)研究成果率先在我國(guó)期刊、平臺(tái)上發(fā)表和開發(fā)利用”指示精神的充分踐行。期待LHAASO在未來(lái)取得更多突破性成果,進(jìn)一步鞏固和提升我國(guó)在國(guó)際粒子天體物理領(lǐng)域的地位。

董宇輝副所長(zhǎng)主持會(huì)議

曹俊所長(zhǎng)致辭

顏景志主任致辭

李煜輝副局長(zhǎng)致辭
副總經(jīng)理安瑞在致辭中提到,LHAASO團(tuán)隊(duì)將兩項(xiàng)重要成果發(fā)表于《National Science Review》和《Science Bulletin》,是對(duì)兩項(xiàng)期刊的高度信任與大力支持,期待我國(guó)更多科學(xué)成果能在國(guó)內(nèi)期刊發(fā)表。

副總經(jīng)理安瑞致辭
在成果解讀環(huán)節(jié),LHAASO合作組發(fā)言人曹臻院士詳細(xì)介紹了這次科學(xué)成果,并現(xiàn)場(chǎng)播放了成果解讀視頻。幾位國(guó)際和國(guó)內(nèi)的知名專家,包括美國(guó)威斯康星大學(xué)教授Francis Halzen、西班牙巴塞羅那大學(xué)教授Josep Maria Paredes、高能所李惕碚院士和《Science Bulletin》執(zhí)行主編高原寧院士,對(duì)此次成果進(jìn)行了重要點(diǎn)評(píng),都對(duì)成果的重要性給予了高度評(píng)價(jià)。

曹臻院士匯報(bào)此次科學(xué)成果

美國(guó)威斯康星大學(xué)教授Francis Halzen點(diǎn)評(píng)成果

西班牙巴塞羅那大學(xué)教授Josep Maria Paredes點(diǎn)評(píng)成果

李惕碚院士點(diǎn)評(píng)成果

高原寧院士點(diǎn)評(píng)成果
發(fā)布會(huì)的“答記者問(wèn)”環(huán)節(jié),LHAASO論文作者代表曹臻院士、Paolo Lipari教授、柳若愚研究員、張壽山研究員、李劍教授、袁強(qiáng)研究員回答了媒體記者及現(xiàn)場(chǎng)嘉賓提出的問(wèn)題。

LHAASO論文作者代表答記者問(wèn)
Science Bulletin DOI:
https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.10.048
NSR DOI:?
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf496