“拉索”新发现为理解黑洞带来什么新思路？专访中国科学院院士曹臻

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封面新闻记者 赵雨笙

日前，位于四川的高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）传来最新科研成果，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年的未解之谜——宇宙线质子能谱上形似人膝盖的拐折结构从哪里来。

位于四川省稻城县的高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）。图据中国科学院

这一成果为理解黑洞在宇宙线起源中的作用提供了什么证据？该发现为理解黑洞系统的极端物理过程开辟了哪些新思路？记者专访中国科学院院士、高能物理研究所研究员、“拉索”首席科学家曹臻。

破解谜题

微类星体是强大的粒子加速器

黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天体之一，被视为吞噬一切的“终结者”。“拉索”的最新发现可能颠覆这一认知，证实黑洞还是超高能宇宙射线的源头。

处于双星系统中的黑洞，凭借强大的引力不断吞噬伴星物质。在此过程中，部分物质会以喷流形式喷射出来，这种既有吸积也有喷流的黑洞就是微类星体。

宇宙线是来自宇宙空间的高能带电粒子，因其携带宇宙起源、天体演化、太阳活动等重要信息被称为传递宇宙大事件的“信使”。宇宙线能量分布图上有一个关键转折点，因形似人的膝盖而被称为“膝”，其成因一直是待解之谜。

“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。

“拉索”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，可将宇宙线加速至“膝”及以上的高能量。

中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻。受访者供图

曹臻告诉记者，“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。

他进一步指出，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。

“考古”宇宙

为理解黑洞系统开辟新途径

“膝”是宇宙线能谱（宇宙线数量在粒子能量上的分布）在3拍电子伏后呈现的一个拐折结构。近70年前被发现后，科学家曾猜测其为加速源天体加速能力极限所致。对这一问题的深入理解必须精确测量宇宙线各成分的能谱及各自的“膝”，但长期以来这一测量被认为不可能完成。

这次通过位于稻城县海拔4410米的海子山，包括5216台闪烁体探测器和1188台埋在地下的水切伦科夫探测器在内的“拉索”探测器阵列，捕捉到从宇宙深处飞来的宇宙线信号，意味着什么？

“拉索”最新研究成果日前发表在《科学通报（英文版）》。图据受访者

曹臻指出，这次观测不仅完成了对“膝”区质子能谱的精确刻画，更为重要的是首次发现超出预期的高能组分能谱结构。“膝”并非简单转折，而是出现似“膝盖”一样的“鼓包”，这种“鼓包”意味着可能有新成分出现。

他告诉记者，银河系内公认的宇宙线源是超新星遗迹，也就是大质量恒星爆炸后的残骸。但观测和理论都发现它们无力将宇宙线加速到“膝”及以上的高能量。这次观测成果认为，银河系内存在多种类宇宙线源，而黑洞是最有可能的宇宙线源之一。“将宇宙线加速到‘膝’以上的，是黑洞吸积驱动的微类星体。”

“宇宙线来自哪里，如何被加速到如此之高的能量，一直是困扰科学家的问题。”曹臻说。

曹臻举例，就像古生物学家通过分析化石，就可以推测数百万年前的环境。天体物理学家接收到几十亿年前的星星发来的射线，就可以通过这束射线研究几十亿年前的宇宙。他形象地把宇宙线研究比喻成“考宇宙的古”。

在他看来，这次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开辟了一条新途径。