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作为外太空的带电粒子，宇宙线携带着宇宙起源的“元密码”，其主要成分为质子。近70年前，科学家发现宇宙线能量分布图在3PeV（千万亿电子伏特）附近呈现一个拐折结构——能量高的宇宙线数量急剧减少，由于拐折形状类似人的膝关节而被称为宇宙线的“膝”。但自发现“膝”以来，一直未弄清其成因。
2025年11月16日，我国的高海拔宇宙线观测站（简称“拉索”）发布两项具有里程碑意义的科学成果——黑洞吸积驱动的微类星体是银河系中强大的粒子加速器，能够将宇宙线加速至千万亿电子伏特能段；宇宙线的“膝”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。这些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。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的这些研究，分别发表于《国家科学评论》与《科学通报》。
【这一测量任务被公认“不可能完成”】
绝大多数宇宙线到达地球时失去了原初的方向信息，难以反推其“源”的方向。宇宙线的起源问题，被国际物理学界列为“新世纪11个物理学问题”之一。
要真正弄清“膝”的形成之谜，必须精确测量宇宙线各成分的能谱及各自的“膝”。然而，“膝”的宇宙线稀少，卫星探测器面积有限，探测如同大海捞针；地面实验会受大气层干扰，长期以来这一测量任务被公认“不可能完成”。
作为目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，以及能量覆盖范围最宽的超高能宇宙线复合式立体测量系统，拉索巧妙利用其强大的地面观测装置，采用多参数测量技术成功筛选出高纯度质子样本，从而精确测量其能谱，精度媲美卫星探测器。
这一突破性的测量揭示了完全超出预期的能谱结构，清晰展现出一个新的“高能组分”。这一结果与阿尔法磁谱仪（安装在国际空间站的高能粒子物理探测器，由诺奖得主丁肇中主导设计建造）测得的低能组分、我国“悟空号”暗物质粒子探测卫星测得的中能组分，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（见下图）。
“在探寻宇宙线的路上，我们走出了非常重要的一步——发现低、中、高能的‘膝’各有其源。”中国科学院院士、拉索首席科学家曹臻说。
【发现黑洞鲜为人知的一个特性】
黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天体之一，处于双星系统中的黑洞在吸积伴星物质时可产生相对论性喷流，形成“微类星体”。
“我们发现了黑洞鲜为人知的一个特性。”曹臻说。拉索首次系统性地探测到来自SS 433、V4641 Sgr等5个微类星体的超高能伽马射线。其中，SS 433的超高能辐射与周围巨型原子云重合，强烈暗示了来自被黑洞加速的高能质子与物质的碰撞。分析表明该系统加速的质子能量超过1PeV，总功率高达约每秒10
焦耳，相当于每秒释放四百万亿颗人造最强炸弹——“沙皇”氢弹的能量。而来自V4641 Sgr的伽马射线能量达到0.8PeV，成为又一个“超级PeV粒子加速器”，即产生这些伽马射线的父辈粒子能量超过10PeV。
这使得微类星体成为银河系内非常重要的一类PeV粒子加速器。它们具有明显高于超新星遗迹的加速极限，能够产生超过“膝”的高能宇宙线。这是国际上第一次在观测上将“膝”与具体类型的天体——黑洞喷流系统关联起来，不仅为解决困扰学界近70年的“膝”的成因难题迈出关键一步，也为理解黑洞在宇宙线起源中的作用提供了重要的观测证据。
原标题：《黑洞竟是千万亿电子伏加速器，拉索破解宇宙线“膝”形成之谜》
本文作者：解放日报 黄海华
题图来源：高海拔宇宙线观测站。受访对象
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