宇宙线“膝盖”从何而来？中国“拉索”证实黑洞是“幕后推手”

宇宙中，时时刻刻都有无数高能粒子以接近光速穿梭，它们被称为“宇宙线”。这些来自宇宙深处的“信使”，携带了其诞生地和宇宙极端环境的神秘信息。其中，一个困扰了全球科学家近70年的谜题就是宇宙线能谱的“膝”——在约3拍电子伏（PeV）能量处，宇宙线的数量突然急剧下降，如同人的膝盖形状。

这个“膝”是怎么形成的？是谁“制造”了能量如此之高的宇宙线？近日，我国的“拉索”（高海拔宇宙线观测站，LHAASO）以其独特的“火眼金睛”，为这个世纪谜题找到了最关键的答案。

▲“拉索”图据受访单位

锁定“嫌疑人”：

黑洞，宇宙中的“超级加速器”

传统的理论认为，宇宙线的“膝”是一个简单的转折，从一条“下坡路”拐到更陡的“下坡路”。但“拉索”对质子能谱的精确测量，却揭示了一个完全超出预期的结构——在“膝”区，能谱并非简单转折，而是“鼓了一个包”。

“在物理学上，一旦发现‘鼓包’，通常就意味着有新的成分出现了。”近日接受记者采访时，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员、“拉索”首席科学家曹臻解释道。这好比在一个班级里，以前大家身高体重都差不多，突然发现有一群特别高大强壮的学生，他们显然来自不同的“源头”。这个新发现的“高能组分”，正是形成“膝”的关键。

那么，是谁“制造”了这些能量极高的宇宙线质子？所有的线索，都指向了宇宙中最神秘的天体之一——黑洞。

曹臻介绍，当黑洞与一颗恒星组成双星系统时，它会疯狂地“吞噬”伴星的物质。“你可以想象一个巨大的漩涡，物质在掉进黑洞前被剧烈搅动、加速，不仅被吞进去，更有大量物质以接近光速的‘喷流’形式被抛射出来，这样的系统被称为‘微类星体’。”

“拉索”首次系统性地探测到了来自5个此类微类星体的超高能伽马射线。其中，对名为SS 433的系统观测尤为关键。“拉索”发现，其超高能辐射与周围一片巨大的原子云位置重合。“这强烈暗示，是被黑洞加速到极高能量的质子打在这片‘云’上，才产生了我们看到的伽马射线。”曹臻说。分析表明，SS 433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人类制造过的威力最强的‘沙皇’氢弹的能量。”

而另一个名为V4641 Sgr的黑洞系统，则展现了其加速粒子的“极限速度”，探测到的伽马射线能量表明，其“父辈”粒子能量超过了10 PeV，成为名副其实的“超级PeVatron”（拍电子伏加速器）。

完美闭环：

从“源头”到“终点”的证据链

这一发现完美地解决了长期困扰学界的难题。此前，科学界普遍认为超新星遗迹是银河系宇宙线的主要来源，但理论和观测都发现，它们“心有余而力不足”，无法将粒子加速到“膝”区及以上的超高能量。

“拉索”的两项成果相互印证，构建了一个完整的科学图景：一方面，从宇宙线的“源头”（微类星体）直接看到了其强大的PeV粒子加速能力；另一方面，从抵达地球的宇宙线“终点”（能谱测量），看到了这类源所贡献的独特能谱特征——“鼓包”和“膝”。

“我们找到了这样的源，而且它的能量足够高。”曹臻总结道，“这就像我们之前只知道有高中、大学，现在发现了一个能培养出‘博士生’的‘顶尖学府’。正是这类‘顶尖学府’（黑洞微类星体），贡献了宇宙线中能量最高的那一部分，而它们的加速极限，就表现为我们观测到的‘膝’。”

这项里程碑式的工作，标志着中国在基础科学前沿领域，正凭借自主打造的世界级平台为拓展人类认知边界作出不可替代的贡献。据悉，相关成果已于11月16日分别发表在《National Science Review》与《Science Bulletin》上。

“有国际同行非常羡慕，问我们：‘你们看到的新奇现象，我们怎么没有看到？’”曹臻笑着回答，“我跟他们说，因为你们的探测器‘眼睛’不够亮，灵敏度不够。‘拉索’的‘眼睛’足够亮，可以捕捉到强度极低的发射源。”

他用一个生动的比喻解释了“拉索”的强大：“以前的测量，就像把黑瓜子、白瓜子混在一起，只能看出个大概。而‘拉索’能把这些不同颜色的瓜子清晰地分开，让我们能精准地挑出其中一种——也就是宇宙线中最轻的原子核、质子，来进行单独研究。”正是这种前所未有的精度，让“拉索”看到了过去被掩盖的真相。

红星新闻记者 彭祥萍

编辑 张莉