“拉索”睁亮眼，破解宇宙线“膝盖”之谜！发现黑洞是宇宙中的“超级加速器”

11月16日，高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）发布两项具有里程碑意义的科学成果，分别发表于《National Science Review》与《Science Bulletin》，由中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、罗马第一大学等机构完成。

观测发现，黑洞吸积驱动的微类星体是银河系中强大的粒子加速器，能够将质子加速至拍电子伏（PeV）能段；宇宙线质子能谱“膝区”显现超出预期的高能组分，黑洞正是其最可能的候选源天体。这一发现不仅揭示了宇宙线起源的关键机制，也为理解黑洞系统的极端物理过程打开了新窗口。

▲拉索测得的“膝区”宇宙线质子能谱（红点）与AMS-02测得的低能组分（黑色方块）、“悟空号”测得的中能组分（蓝色方块）一起，揭示了银河系内存在多种类的加速源，每一类有各自独特的加速能力和能量范围，而“膝”正是产生高能组分的源的加速极限表现。

宇宙中充满高能粒子流，即宇宙线。科学家绘制其能量分布图时发现，在约3拍电子伏（PeV）的能量处，宇宙线数量突然急剧减少，曲线形状像人的膝盖，因此被称为“膝”。这个现象困扰了全球科学家近70年。要破解它，必须精确测量“膝”区宇宙线的成分，尤其是其中最轻的质子。但这极为困难，如同大海捞针，曾被视作不可能的任务。

我国的“拉索”凭借其国际领先的探测灵敏度，成功完成了这一挑战，它就像拥有一双特别亮的“眼睛”，能清晰地将质子从纷繁复杂的粒子中筛选出来并进行精确测量。

结果出人意料：“膝”区并非预想中的简单转折，而是清晰地“鼓了一个包”。这个“鼓包”意味着存在一类新的、能产生极高能量宇宙线的源头。

那么，谁是制造这些超高能宇宙线的“元凶”？“拉索”将目标锁定在黑洞上。

当黑洞与一颗恒星组成双星系统并吞噬伴星物质时，会形成被称为“微类星体”的天体，并产生速度近光速的强大喷流。“拉索”首次系统性地探测到来自五个此类微类星体的超高能伽马射线。其中，SS 433系统的超高能辐射与周围一片巨大的原子云位置重合，强烈表明是被黑洞加速到极高能量的质子撞击这片“云”所产生的。

测算显示，其加速质子的总功率高达约每秒1032焦耳，相当于每秒释放四百万亿颗“沙皇”氢弹的能量。而另一个名为V4641 Sgr的系统，则探测到能量达0.8 PeV的伽马射线，表明其“父辈”粒子能量超过10 PeV，成为又一个“超级PeV粒子加速器”。

这解决了长期困扰学界的难题，过去公认的主要宇宙线源——超新星遗迹，被证实“力气不够”，无法将粒子加速到“膝”区及以上的超高能量。

如今，“拉索”的两项成果完美衔接，构建起一个完整的科学图景：它既从黑洞微类星体这类“源头”上直接看到了其强大的PeV粒子加速能力，又从抵达地球的宇宙线“终点”测量中，发现了这类源头所贡献的独特“鼓包”能谱特征。

这表明，银河系内存在多种宇宙线加速器，各自生产不同能量级别的粒子，而黑洞微类星体正是其中能生产最高能量粒子的那一类“超级工厂”，宇宙线能谱上的“膝”，正对应着这类“超级工厂”的加速极限。

▲拉索

高海拔宇宙线观测站由中国科学家自主设计、建设并运行。凭借在伽马天文探测与宇宙线精确测量两方面的高灵敏度，该观测站在高能伽马射线天文和宇宙线物理领域处于领先地位，且持续取得具有全球影响力的突破性成果。这些成就彰显了中国在基础科学研究领域的创新实力，体现了中国智慧对人类文明的贡献，尤其是在对宇宙极端物理过程的认知层面。而这只是中国深度参与科学研究的一个缩影：即便在远离日常生活的自然科学前沿领域，中国也在积极作为。通过打造世界级平台、组建国际团队、推动人类认知边界不断拓展，中国正为全球科学事业作出重要贡献。

红星新闻记者 彭祥萍 图据受访单位

编辑 张莉