拉索破解宇宙線“膝”形成之謎 | 科技前線

11月16日，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）發布兩項科學成果。中國科學院高能物理研究所等團隊通過觀測發現，黑洞吸積驅動的微類星體是銀河系中強大的粒子加速器，能夠將質子加速至拍電子伏（PeV）能段；宇宙線質子能譜“膝區”顯現超出預期的高能組分，黑洞正是其最可能的候選源天體。此次發現不僅揭示了宇宙線起源的關鍵機制，也為理解黑洞系統的極端物理過程開辟了一條新途徑。

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解決困擾多年難題

黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一，處于雙星系統中的黑洞在吸積伴星物質時可產生相對論性噴流，形成“微類星體”。

拉索首次系統性地探測到來自SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070與Cygnus X-1等五個微類星體的超高能伽馬射線。其中，SS 433的超高能輻射與周圍巨型原子云重合，強烈暗示來自于被黑洞加速的高能質子與物質的碰撞。

▲拉索破解宇宙線“膝”形成之謎

分析表明，該系統加速的質子能量超過1PeV，總功率高達約每秒1032焦耳。而來自V4641 Sgr的伽馬射線能量達到0.8PeV，成為又一個“超級PeV粒子加速器”，即產生這些伽馬射線的父輩粒子能量超過10PeV。這使得微類星體成為銀河系內非常重要的一類PeV粒子加速器，這解決了困擾科學家多年的一個難題：銀河系內公認的宇宙線源是超新星遺跡，但觀測和理論都發現它們無法將宇宙線加速到“膝”及以上的高能量。

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完成“不可能完成”的任務

宇宙線能量分布圖上有一個關鍵轉折點，由于其形狀酷似人的膝蓋，被稱為“膝”，大約在3PeV處，能量更高的宇宙線數量急劇減少。長期以來，測量“膝區”的宇宙線質子能譜被認為是“不可能完成”的任務。拉索巧妙利用其強大的地面觀測裝置，采用多參數測量技術成功篩選出大統計量的高純度質子樣本，從而精確測量其能譜，精度媲美衛星實驗。這一突破性的測量揭示了完全超出預期的能譜結構，清晰展現出一個新的“高能組分”。

拉索的復合型探測器陣列設計，使科學家既能夠通過超高能伽馬射線探測宇宙射線的源天體，也能夠對太陽系附近的宇宙線粒子進行精確測量，既從天體源端看到了PeV能量的加速能力，又從宇宙線端看到了這類源所貢獻的能譜特征。

這是第一次在觀測上將“膝”結構與具體類型的天體——黑洞噴流系統關聯起來。質子能譜的復雜結構表明，PeV能段的宇宙線質子主要來自微類星體這類“新源”，它們具有明顯高于超新星遺跡的加速極限，能夠產生超過“膝”的高能宇宙線。兩項成果相互印證，構建起一個完整的科學圖景。這不僅為解決困擾學界近70年的“膝區成因”難題邁出關鍵一步，也為理解黑洞在宇宙線起源中的作用提供了重要的觀測證據。

來源：中國科學院高能物理研究所

責任編輯：宋同舟