揭秘黑洞与宇宙射线“膝部”的神秘联系，揭开宇宙射线之谜

大型高能宇宙射线观测台（LHAASO）于11月16日发布的里程碑结果解决了一个关于宇宙射线能谱的几十年老谜团——该能谱在3 PeV以上显示出急剧下降，呈现出一种不寻常的膝形结构。

自从近70年前发现“膝”以来，原因一直不明。科学家们推测这与宇宙射线的天体物理源的加速极限有关联，并反映了宇宙射线能谱从一种幂律分布转变为另一种的过程。

不过，最近有两项研究——分别发表在国家科学评论和科学公报上——表明，由黑洞系统吸积驱动的微类星体是银河系内强大的粒子加速器，并且可能是“膝”的来源。这些研究还增进了我们对黑洞系统极端物理过程的理解。

这项研究由中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科技大学、罗马拉萨比恩扎大学及其他机构的研究人员共同进行。

微类星体被确认是宇宙加速器

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，它在从双星系统的伴星吸积物质时，会产生相对论喷流，形成“微类星体”。在这项研究中，LHAASO首次系统地探测到了来自五个微类星体的超高能伽马射线：SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070和天鹅座X-1。

特别是，SS 433发出的超高能辐射与一个巨大的原子云重叠，这强烈暗示高能质子是由黑洞加速并与周围物质碰撞。

这个系统中的质子能量超过1 PeV，总功率输出约为1032焦耳每秒，相当于四万亿颗最强氢弹每秒释放的能量。V4641 Sgr发出的伽马射线能量达到了0.8 PeV，这使它成为另一个“超PeV粒子加速器”，而产生这些伽马射线的母粒子能量超过10 PeV。

这些结果证明微类星体是银河系中重要的PeV粒子加速器，解决了科学中的一个长期问题：虽然超新星遗迹历史上被认为是宇宙射线的来源，但观察和理论研究表明，它们无法将宇宙射线加速到“膝部”及以上的能量。

测量宇宙射线谱的挑战

要全面理解这一现象，精确测量各种宇宙射线种类的能谱，包括它们各自的“膝”，是必不可少的。第一步是测量最轻核的能谱——质子。然而，“膝”区域的宇宙射线稀少，卫星探测器的接受能力有限，使得探测就像大海捞针一样。

在地面间接测量宇宙射线粒子时，无法避免大气干扰。这使得区分质子与其他核变得困难。很长一段时间，这项测量曾被认为是不可能的。

在本研究中，利用其世界领先的地面宇宙射线观测设备，LHAASO开发了多参数测量技术，并选择了一个高纯度质子的样本量较大，从而实现了其能谱的精确测量，其精度与卫星实验相当。这一测量揭示了一个完全出乎意料的能谱结构，清晰地显示出一个新的“高能成分”，而不是简单的幂律谱之间的过渡。

多个加速器塑造宇宙射线的起源

LHAASO的新发现，加上由空间实验AMS-02测量的低能成分和由空间载荷DArk Matter Particle Explorer (DAMPE)实验测量的中能成分，揭示了银河系内存在多个加速器，每个加速器都有自己独特的加速能力和能量范围。“膝”代表了负责产生高能成分的源的加速上限。

质子能谱的复杂结构表明，PeV能量范围内的宇宙射线质子主要来源于“新来源”，如微类星体，其加速极限显著高于超新星遗迹。这使得它们能够产生超过“膝部”的高能宇宙射线。

突破性发现将黑洞与宇宙射线联系起来

这两项发现相辅相成，呈现出一个全面的科学图景。这不仅标志着在解决“膝部”起源这一长期谜团上取得了重大进展，还为理解黑洞在宇宙射线起源中的作用提供了重要的观测证据。

LHAASO的混合探测器阵列设计允许通过超高能伽马射线探测宇宙射线源，同时能够精确测量太阳系附近的宇宙射线粒子。这种方法提供了对PeV能量源的加速能力及其对宇宙射线贡献的光谱特征的理解。首次，“膝部”结构已被观察到与一种特定类型的天体物理源——黑洞喷流系统相联系。

LHAASO由中国科学家设计、建造并运营，由于在伽马射线天文探索和宇宙射线精确测量方面的灵敏度，LHAASO在高能宇宙射线研究中处于领先地位。它取得了一系列具有全球影响力的发现，因此，它为我们理解宇宙中极端物理过程做出了重要贡献。