航拍位于甘孜州稻城縣的高海拔宇宙線觀測站。何海洋 攝

　　一分鐘讀懂宇宙線“膝”

　　在宇宙線的能譜上，有一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，大約在3千萬億電子伏處，宇宙線的數(shù)量會(huì)急劇減少。這個(gè)拐點(diǎn)因?yàn)樾螤羁崴迫说南ドw，被形象地稱為“膝”

　　要弄清楚“膝”結(jié)構(gòu)形成的原因，需要精確測量宇宙線中不同單元素成分的能譜及其“膝”結(jié)構(gòu)。學(xué)界猜測，“膝”的形成，可能是因?yàn)橛钪婢€源加速能力存在上限，從而導(dǎo)致宇宙線能譜上限處發(fā)生拐折

　　依靠“拉索”，科學(xué)家不僅完成了對(duì)“膝”區(qū)質(zhì)子能譜的精確刻畫，還首次發(fā)現(xiàn)了超出預(yù)期的高能組分能譜結(jié)構(gòu)。能譜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)表明，“膝”并非簡單轉(zhuǎn)折，而是出現(xiàn)了“膝蓋”一樣的“鼓包”

　　“拉索”對(duì)北半球的微類星體進(jìn)行了搜尋，首次系統(tǒng)性探測到5個(gè)微類星體的超高能伽馬射線。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)

　　研究成果表明，銀河系內(nèi)存在多種類的宇宙線源，黑洞是最有可能的宇宙線源之一，把宇宙線加速到“膝”以上的，是黑洞吸積驅(qū)動(dòng)的微類星體

　　11月16日，位于甘孜州稻城縣的高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）發(fā)布兩項(xiàng)科學(xué)成果：一是以前所未有的精細(xì)度，測量了宇宙線質(zhì)子的能譜；二是推動(dòng)將微類星體視為“膝”區(qū)宇宙線可靠加速源的研究。

　　兩項(xiàng)成果破解了一個(gè)困擾科學(xué)家近70年的難題：此前，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)它們無力將宇宙線加速到宇宙線“膝”及以上的高能量。此次成果認(rèn)為，銀河系內(nèi)存在多種類的宇宙線源，黑洞是最有可能的宇宙線源之一，把宇宙線加速到“膝”以上的，是黑洞吸積驅(qū)動(dòng)的微類星體。

　　為何要研究“膝”？

　　深刻關(guān)聯(lián)著宇宙線的來源和旅行方式

　　什么是宇宙線？宇宙線是來自外太空的帶電粒子，主要成分為各種原子核，被稱為傳遞宇宙大事件的“信使”。但宇宙線尤其是高能、超高能宇宙線的起源一直是待解之謎。

　　在宇宙線的能譜（宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）上，有一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，大約在3千萬億電子伏處，宇宙線的數(shù)量會(huì)急劇減少。這個(gè)拐點(diǎn)因?yàn)樾螤羁崴迫说南ドw，被形象地稱為“膝”。宇宙線能譜“膝”結(jié)構(gòu)，深刻關(guān)聯(lián)著宇宙線的來源和它們?cè)谟钪婵臻g中的旅行方式。

　　雖然早在上世紀(jì)50年代末，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了“膝”，但在此后近70年，關(guān)于“膝”結(jié)構(gòu)形成的原因，一直懸而未解。

　　“拉索”首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士曹臻介紹，想要弄清楚這一問題，需要精確測量宇宙線中不同單元素成分的能譜及其“膝”結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)宇宙線能量攀升至“膝”區(qū)高度時(shí)，宇宙線粒子的數(shù)量變得稀少，空間探測器受限于有效探測面積，對(duì)“膝”區(qū)宇宙線探測如同大海撈針；地面探測器面臨大氣層干擾難題，難以從眾多的宇宙線混合成分中有效分離出質(zhì)子信號(hào)。

　　因此，宇宙線質(zhì)子“膝”的測量，一直被公認(rèn)是不可能完成的任務(wù)。學(xué)界猜測，“膝”的形成，可能是因?yàn)橛钪婢€源加速能力存在上限，從而導(dǎo)致宇宙線能譜上限處發(fā)生拐折。

　　研究有何成果？

　　將微類星體確立為重要的拍電子伏宇宙線源

　　“拉索”正在破解這一難題。它坐落于海拔4400米海子山上，部署了面積超過一平方公里的探測器陣列，其中包括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。這些探測器像一雙雙敏銳的眼睛，能捕捉到從宇宙深處飛來的宇宙線信號(hào)。

　　“依靠‘拉索’，我們不僅完成了對(duì)‘膝’區(qū)質(zhì)子能譜的精確刻畫，還首次發(fā)現(xiàn)了超出預(yù)期的高能組分能譜結(jié)構(gòu)?！辈苷檎f，以前的觀點(diǎn)認(rèn)為“膝”是一個(gè)簡單的轉(zhuǎn)折，即從一條“直線”拐到更陡的“直線”?，F(xiàn)在，能譜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)表明，“膝”并非簡單轉(zhuǎn)折，而是出現(xiàn)了“膝蓋”一樣的“鼓包”，這個(gè)鼓包的出現(xiàn)，意味著可能有新成分出現(xiàn)。

　　此前，銀河系內(nèi)公認(rèn)的宇宙線源是超新星遺跡，但并無證據(jù)表明它們是“膝”區(qū)宇宙線的源，觀測和理論都發(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。美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校講席教授弗朗西斯·哈爾岑認(rèn)為，這項(xiàng)研究揭示了銀河系內(nèi)可能存在多種類的宇宙線源。

　　誰“制造”了這些能量極高的宇宙線質(zhì)子？答案是黑洞。

　　“以前，我們認(rèn)為黑洞要吞噬伴星等物質(zhì)，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它還會(huì)以噴流的形式將物質(zhì)吐出來，這個(gè)系統(tǒng)就是微類星體?！辈苷檎f，“拉索”對(duì)北半球的微類星體進(jìn)行了搜尋，首次系統(tǒng)性探測到5個(gè)微類星體的超高能伽馬射線。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)?！斑@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?！?/p>

　　在業(yè)內(nèi)看來，“拉索”此次新發(fā)現(xiàn)，不僅破解了困擾學(xué)界多年的宇宙線“膝”形成之謎，也為理解黑洞系統(tǒng)的極端物理過程開辟一條新的途徑。

　　西班牙巴塞羅那大學(xué)教授、著名高能天體物理學(xué)家何塞普·馬里亞·帕雷德斯表示，這些成果將微類星體確立為重要的拍（千萬億）電子伏宇宙線源，并為了解黑洞核心或噴流中的加速過程提供了珍貴的線索，標(biāo)志著銀河系高能天體物理研究開啟了新紀(jì)元。

　　對(duì)于未來，曹臻信心更足。他打了一個(gè)比方，以前的測量，就像把黑瓜子、白瓜子混在一起，只能看出個(gè)大概，“拉索”將這些不同顏色、不同大小的瓜子清晰地分開，讓我們能精準(zhǔn)地挑出其中一種進(jìn)行單獨(dú)研究，這將構(gòu)建起一個(gè)從微觀粒子到宏觀天體的完整科學(xué)圖景。