“拉索”，立大功！

11月16日，中国科学院高能物理研究所发布大科学装置高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）最新科研成果。

科研人员发现，在银河系中有五个由黑洞与被其吸积的恒星构成的微类星体可以将宇宙中的粒子加速到极高能量，这一发现破解了困扰科学界近70年的一个未解之谜——宇宙线质子能谱上形似人的膝盖的拐折结构从哪里来。

这项成果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开辟了新的途径。相关科研成果16日在学术期刊《国家科学评论（英文）》及《科学通报（英文版）》发表。

高海拔宇宙线观测站（拉索）航拍图

宇宙线全粒子能谱上能量拐折“膝”结构示意图

在广阔的宇宙中，无数以近光速飞行的微观粒子穿梭不息，我们称之为宇宙线。宇宙线自从被发现以来，通过空间和地面的实验探测，科学家们绘制出了宇宙线全粒子能谱。在能谱上有一个独特的拐折结构，因其形似人的膝盖，所以被称为“膝”结构。这一现象其实已经被发现近70年，但是其物理成因一直是未解之谜。

高海拔宇宙线观测站（拉索）航拍图

直到近期，中国科学院高能物理研究所曹臻院士科研团队依托大科学装置“拉索”的超高灵敏度，发现银河系内存在五个具有强大粒子加速能力的微类星体。这些微类星体是由黑洞和正在被黑洞吸积的恒星组成。

高海拔宇宙线观测站（拉索）航拍图

黑洞利用其强大的吸积作用，不断吞噬着它旁边的恒星，与此同时黑洞中还不断释放出高能量的粒子喷流，其每秒释放的能量大约相当于四百万亿颗地球上最大威力氢弹的能量。这就成为高能量宇宙线粒子的“产生器”。同时，拉索还发现了宇宙线质子能谱在“膝”附近一个超出预期的“高能组分”。两项成果相互印证，为科学界此前监测到的宇宙线全粒子能谱上能量拐折“膝”结构的来源与成因提供了最佳诠释，也使得黑洞成为这些高能量宇宙线源的最佳候选者。

宇宙线质子能谱上多组分与“膝”结构的示意图

这项研究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，对人们认识黑洞系统的极端物理过程和宇宙线起源具有重要作用，将推动我国天体粒子物理研究的发展。

什么是宇宙线？

宇宙线是来自外太空的带电粒子，主要成分为各种原子核，被称为传递宇宙大事件的“信使”。但宇宙线尤其是高能、超高能宇宙线的起源一直是待解之谜。

在宇宙线的能谱（宇宙线数量在粒子能量上的分布）上，有一个关键转折点，大约在3千万亿电子伏处，宇宙线的数量会突然急剧减少。这个拐点因为形状酷似人的膝盖，被形象地称为“膝”。

“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理所曹臻院士介绍，以前科学家们主要认为，宇宙线来自超新星遗迹，也就是大质量恒星爆炸后的残骸。但是观测和理论都显示，它们很难把粒子加速到“膝”及以上的高能量。

如何探寻宇宙线？

由于宇宙线粒子带电，在传播过程中会受磁场影响而“拐弯”，所以无法直接根据宇宙线粒子行迹找到其起源天体。不过，当宇宙线与星际物质发生碰撞时，所产生的高能伽马射线却是不带电的，可以在太空中保持“直线飞行”。

“这些高能伽马射线就像宇宙线在银河系内留下的一串串‘足迹’，通过它们，科学家可以反推出宇宙线的加速源位置，为寻找宇宙线起源天体提供重要依据。”曹臻说。

“拉索”做了什么？

“拉索”此次的发现直接指向了一类宇宙中的特殊系统——微类星体。处于双星系统中的黑洞，凭借其强大的引力不断吞噬伴星的物质，在这个过程中，部分物质会以喷流形式被喷射出来，这种有吸积也有喷流的黑洞就是微类星体。

此次研究中，“拉索”首次捕捉到来自五个微类星体的超高能伽马射线信号，结合“拉索”精确测量出的宇宙线能谱，研究人员发现产生这些伽马射线的粒子能量正处于宇宙线能谱的“膝”区。

“这表明，银河系里存在多种‘粒子加速器’。微类星体具有明显高于超新星遗迹的加速极限，能达到‘膝’的能量门槛，成为高能宇宙线的新来源。”曹臻说。

作为以宇宙线观测研究为核心目标的国家重大科技基础设施，“拉索”此次新发现，不仅破解了困扰学界多年的宇宙线“膝”形成之谜，更是第一次在观测上将“膝”结构与具体类型的天体——黑洞喷流系统关联起来，为理解宇宙的极端物理过程开辟了一条新的途径。

深度参与科学事业，拓展人类认知边界，“拉索”正持续带来具有全球影响力的突破性成果。

综合新华社、央视新闻