2025-11-16 21:57:22
浩渺星空蕴藏无尽奥秘，激发着人类对未知的探索。在广阔的宇宙中，无数以近光速飞行的高能粒子穿梭不息——科学家们称之为宇宙线。这些宇宙线携带着宇宙起源、天体演化等重要科学信息，主要由质子和多种元素的原子核组成。
自被发现以来，通过空间和地面的实验探测，科学家们绘制出了跨越11个数量级的宇宙线全粒子能谱。在能谱图上，3拍电子伏特（PeV）能量附近出现了一个独特的拐折结构，因其形似人的膝盖，被称为“膝”结构。尽管这一现象已被发现近70年，但其物理成因一直是未解之谜。
解谜的关键是精确测量宇宙线各成分的能谱及其各自的“膝”结构，比如宇宙线质子的能谱。但由于相关技术挑战，科学家们一直未能如愿以偿。
11月16日，由我国科学家牵头完成的两项具有里程碑意义的科学成果对外发布：借助高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索），研究者们观测发现黑洞与伴星相互作用形成的微类星体是银河系中强大的粒子加速器，能够将宇宙线质子加速至拍电子伏能段；宇宙线质子能谱“膝区”显现明显的“鼓包”，而非简单的幂律转换，黑洞正是其最可能的候选源天体。
“拉索的复合型探测器阵列设计，使我们既从天体源端看到了PeV能量的加速能力，又从宇宙线端看到了这类源所贡献的能谱特征。这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。换句话说，黑洞也是一个能量极大的粒子加速器。”“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理所曹臻院士表示。
这一重要发现解决了困扰科学家多年的一个难题。教科书曾经告诉我们，超新星遗迹是银河系内公认的宇宙线加速源，但无论是观测还是理论都发现它们无力将宇宙线加速到“膝”及以上的高能量。
真相是什么？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·帕雷德斯认为，LHAASO这一发现的核心意义在于，它证实了微类星体能够将粒子加速到1拍电子伏特的能量，从而对银河系宇宙线在“膝”区附近的成分做出了贡献。“LHAASO的成果标志着银河系高能天体物理研究新纪元的开启，并为了解黑洞核心或喷流中的加速过程提供了无比珍贵的线索。”
不过，绝大多数宇宙线为带电粒子，在传播过程中会在星际磁场中发生偏转，到达地球时会失去原初的方向信息，无法反推其天体源。研究者们是如何探寻宇宙线的？当宇宙线与星际物质发生碰撞时，所产生的高能伽马射线是不带电的，可以在太空中保持“直线飞行”，通过它们，科学家可以反推出宇宙线的加速源位置。
据介绍，拉索首次系统性地探测到来自SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070与Cygnus X-1等五个微类星体的超高能伽马射线。其中，来自SS 433的超高能伽马射线与周围巨型原子云重合，强烈暗示其来自于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1 PeV，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。而来自V4641 Sgr的伽马射线能量达到0.8 PeV，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10 PeV。
曹臻表示，质子能谱的复杂结构表明，PeV能段的宇宙线质子主要来自微类星体这类“新源”，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。两项成果相互印证，构建起一个完整的科学图景。这不仅为解决困扰学界近70年的“膝区成因”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。
据了解，两项成果的论文16日发表于《国家科学评论》（英文版）和《科学通报》（英文版），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。
高海拔宇宙线观测站由中国科学家自主设计、建设并运行。凭借在伽马天文探测与宇宙线精确测量两方面的高灵敏度，该观测站在高能伽马射线天文和宇宙线物理领域处于领先地位，且持续取得具有全球影响力的突破性成果。（经济日报记者 沈慧）