“拉索”重磅新发现！宇宙线“膝盖”之谜竟由这类黑洞导演

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“拉索”发现黑洞是拍电子伏特宇宙线加速器，破解宇宙线“膝”结构之谜

“拉索”找到宇宙中的高能粒子加速器了！那是银河系内正在吞噬伴星的黑洞，宇宙线“膝”的形成之谜也随之破解。11月16日，记者从中国科学院高能物理研究所获悉，高海拔宇宙线观测站“拉索”经过5年持续追踪，终于揭开了高能宇宙线“身世”谜团的一角。两项成果分别发表在《国家科学评论》（英文版）与《科学通报》（英文版）上。

“拉索”破解宇宙线“膝”结构之谜，成果作为《科学通报》封面论文发表

广阔宇宙中，穿梭着无数以近光速飞行的微观粒子，被称为宇宙线。上世纪初，宇宙线被发现后，科学家绘制出了跨越11个数量级的宇宙线全粒子能谱图——在3拍电子伏特（PeV）能量附近，出现了一个形似人类膝盖的拐折结构，被称为“膝”结构。尽管它已被发现近70年，但受限于探测能力，其物理成因至今未解。

2015年，我国科学家在海拔4410米的四川稻城海子山上，建起了世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置“拉索”。自2020年开启观测以来，它已先后发现最高能光子、又首次找到并定位超级宇宙线加速源。这次，“拉索”国际合作组终于揭开了这类超级加速源的神秘面纱——微类星体。

微类星体是一些质量为太阳几倍、几十倍的小型黑洞，它们正在吞噬自己伴星的物质：一边“狂吃”，一边向周围“吐”出大量高能粒子。当这些粒子流撞上黑洞附近的星际物质，就会形成激波，将粒子瞬间加速到超高能量——其加速本领远超教科书上记载的超新星遗迹，也比地球上人造粒子的最高能量高出几个数量级。

“当这些高能粒子来到地球，与大气分子撞击，所产生的缪子就会被‘拉索’探测到。” “拉索”国际合作组织发言人、中国科学院院士曹臻介绍，得益于“拉索”对高能宇宙线的精确测量本领，他们成功实现了大统计量、高纯度质子样本的精确甄别，以干净、漂亮的数据，突破性地完成了对“膝”区质子能谱的精确刻画，并首次发现了超出预期的高能组分能谱结构。

由此，近70年的“膝”结构谜团也得以解开：“拉索”的新结果与阿尔法磁谱仪2（AMS-02）测得的宇宙线低能组分、“悟空”号测得的中能组分一起，揭示了银河系内存在多种类的宇宙线加速器——它们都有各自独特的加速能力和能量范围，而“膝”的产生正是它们各自加速极限的表现。

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

“这次，通过巡天普查宇宙线的起源天体，我们成功探测到5个微类星体，还有十几个有正在确证中。”曹臻介绍，经测量后，他们确定这些天体的粒子加速能力，能够产生能量突破“膝”区的高能宇宙线。其中，ss 433的加速能力最强，其总功率高达约每秒1032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V4641 Sgr加速的宇宙线，能量可超过10PeV。

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。 美国威斯康星大学麦迪逊分校讲席教授、IceCube项目负责人弗朗西斯·哈尔岑认为，这为人类理解“银河系宇宙线的起源”这个悬而未决的重大谜题，带来了根本性的新认识。 西班牙巴塞罗那大学教授、著名高能天体物理学家何塞普·马里亚·帕雷德斯表示，目前的发现“仅仅是一个更庞大群体的冰山一角”，将来还会有更多发现。

原标题：《“拉索”重磅新发现！宇宙线“膝盖”之谜竟由这类黑洞导演》

栏目主编：任荃

本文作者：文汇报 许琦敏

图片来源：均中国科学院高能所提供