11月16日,“拉索破解宇宙線‘膝’形成之謎”成果新聞發(fā)布會在北京高能所召開,發(fā)布高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,拉索)兩項具有里程碑意義的科學成果,分別發(fā)表于《National Science Review》與《Science Bulletin》,由中國科學院高能物理研究所、南京大學、中國科學技術大學、羅馬第一大學等機構完成。觀測發(fā)現(xiàn):1)黑洞吸積驅動的微類星體是銀河系中強大的粒子加速器,能夠將質子加速至拍電子伏(PeV)能段;2)宇宙線質子能譜“膝區(qū)”顯現(xiàn)超出預期的高能組分,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鍵機制,也為理解黑洞系統(tǒng)的極端物理過程開辟了一條新途徑。
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時可產(chǎn)生相對論性噴流,形成“微類星體”。拉索首次系統(tǒng)性地探測到來自SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070與Cygnus X-1等五個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,強烈暗示來自于被黑洞加速的高能質子與物質的碰撞。分析表明該系統(tǒng)加速的質子能量超過1 PeV,總功率高達約每秒1032焦耳,相當于每秒釋放四百萬億顆人造最強炸彈——“沙皇”氫彈的能量。而來自V4641 Sgr的伽馬射線能量達到0.8 PeV,成為又一個“超級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,這解決了困擾科學家多年的一個難題:銀河系內(nèi)公認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。
宇宙線能量分布圖上有一個關鍵轉折點,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,一直未弄清其成因,只是被猜測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簡單的“冪律譜”轉換為另一個簡單的冪律譜。要真正理解這個問題,必須精確測量宇宙線各成分的能譜及各自的“膝”。首先是最輕的原子核——質子的能譜分布。然而,“膝區(qū)”的宇宙線稀少,衛(wèi)星探測器面積有限,探測如同大海撈針;地面實驗受大氣層干擾,很難清晰地將質子從大量其他原子核產(chǎn)生的事例中識別出來。長期以來這一測量是公認不可能完成的任務。拉索巧妙利用其強大的地面觀測裝置,采用多參數(shù)測量技術成功篩選出大統(tǒng)計量的高純度質子樣本,從而精確測量其能譜,精度媲美衛(wèi)星實驗。這一突破性的測量揭示了完全超出預期的能譜結構,清晰展現(xiàn)出一個新的“高能組分”而非簡單的冪律轉換。拉索的新結果與AMS-02測得的低能組分、“悟空號”測得的中能組分一起,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:拉索測得的“膝區(qū)”宇宙線質子能譜(紅點)與AMS-02測得的低能組分(黑色方塊)、“悟空號”測得的中能組分(藍色方塊)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)。
質子能譜的復雜結構表明,PeV能段的宇宙線質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。兩項成果相互印證,構建起一個完整的科學圖景。這不僅為解決困擾學界近70年的“膝區(qū)成因”難題邁出關鍵一步,也為理解黑洞在宇宙線起源中的作用提供了重要的觀測證據(jù)。
拉索的復合型探測器陣列設計,使我們既能夠通過超高能伽馬射線探測宇宙射線的源天體,也能夠對太陽系附近的宇宙線粒子進行精確測量,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的能譜特征。這是第一次在觀測上將“膝”結構與具體類型的天體——黑洞噴流系統(tǒng)關聯(lián)起來。
出席此次新聞發(fā)布會的嘉賓包括國家自然科學基金委員會數(shù)學物理科學部天文科學處項目主任顏景志、中國科學院前沿科學與基礎研究局副局長李煜輝和天文力學副處長毛羽豐、《中國科學》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、所長曹俊和副所長董宇輝、魯巍,以及LHAASO國際合作組的部分科研代表和多家媒體記者,共計70余人親臨現(xiàn)場,部分媒體記者通過線上方式參與。

發(fā)布會現(xiàn)場
會議由董宇輝副所長主持。在領導致辭環(huán)節(jié)中,曹俊所長表達了對各位嘉賓及媒體記者的熱烈歡迎,并對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也分別致辭,贊揚LHAASO合作組的成就,并指出這些成果在我國自主創(chuàng)辦的頂級學術期刊上發(fā)表,是習近平總書記“鼓勵重大基礎研究成果率先在我國期刊、平臺上發(fā)表和開發(fā)利用”指示精神的充分踐行。期待LHAASO在未來取得更多突破性成果,進一步鞏固和提升我國在國際粒子天體物理領域的地位。

董宇輝副所長主持會議

曹俊所長致辭

顏景志主任致辭

李煜輝副局長致辭
副總經(jīng)理安瑞在致辭中提到,LHAASO團隊將兩項重要成果發(fā)表于《National Science Review》和《Science Bulletin》,是對兩項期刊的高度信任與大力支持,期待我國更多科學成果能在國內(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)言人曹臻院士詳細介紹了這次科學成果,并現(xiàn)場播放了成果解讀視頻。幾位國際和國內(nèi)的知名專家,包括美國威斯康星大學教授Francis Halzen、西班牙巴塞羅那大學教授Josep Maria Paredes、高能所李惕碚院士和《Science Bulletin》執(zhí)行主編高原寧院士,對此次成果進行了重要點評,都對成果的重要性給予了高度評價。

曹臻院士匯報此次科學成果

美國威斯康星大學教授Francis Halzen點評成果

西班牙巴塞羅那大學教授Josep Maria Paredes點評成果

李惕碚院士點評成果

高原寧院士點評成果
發(fā)布會的“答記者問”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、袁強研究員回答了媒體記者及現(xiàn)場嘉賓提出的問題。

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