11月16日，中國科學院高能物理研究所發(fā)布大科學裝置高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）最新科研成果。

科研人員發(fā)現，在銀河系中有五個由黑洞與被其吸積的恒星構成的微類星體可以將宇宙中的粒子加速到極高能量，這一發(fā)現破解了困擾科學界近70年的一個未解之謎——宇宙線質子能譜上形似人的膝蓋的拐折結構從哪里來。

這項成果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新的途徑。相關科研成果16日在學術期刊《國家科學評論（英文）》及《科學通報（英文版）》發(fā)表。

高海拔宇宙線觀測站（拉索）航拍圖

宇宙線全粒子能譜上能量拐折“膝”結構示意圖

在廣闊的宇宙中，無數以近光速飛行的微觀粒子穿梭不息，我們稱之為宇宙線。宇宙線自從被發(fā)現以來，通過空間和地面的實驗探測，科學家們繪制出了宇宙線全粒子能譜。在能譜上有一個獨特的拐折結構，因其形似人的膝蓋，所以被稱為“膝”結構。這一現象其實已經被發(fā)現近70年，但是其物理成因一直是未解之謎。

高海拔宇宙線觀測站（拉索）航拍圖

直到近期，中國科學院高能物理研究所曹臻院士科研團隊依托大科學裝置“拉索”的超高靈敏度，發(fā)現銀河系內存在五個具有強大粒子加速能力的微類星體。這些微類星體是由黑洞和正在被黑洞吸積的恒星組成。

高海拔宇宙線觀測站（拉索）航拍圖

黑洞利用其強大的吸積作用，不斷吞噬著它旁邊的恒星，與此同時黑洞中還不斷釋放出高能量的粒子噴流，其每秒釋放的能量大約相當于四百萬億顆地球上最大威力氫彈的能量。這就成為高能量宇宙線粒子的“產生器”。同時，拉索還發(fā)現了宇宙線質子能譜在“膝”附近一個超出預期的“高能組分”。兩項成果相互印證，為科學界此前監(jiān)測到的宇宙線全粒子能譜上能量拐折“膝”結構的來源與成因提供了最佳詮釋，也使得黑洞成為這些高能量宇宙線源的最佳候選者。

宇宙線質子能譜上多組分與“膝”結構的示意圖

這項研究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，對人們認識黑洞系統的極端物理過程和宇宙線起源具有重要作用，將推動我國天體粒子物理研究的發(fā)展。

什么是宇宙線？

宇宙線是來自外太空的帶電粒子，主要成分為各種原子核，被稱為傳遞宇宙大事件的“信使”。但宇宙線尤其是高能、超高能宇宙線的起源一直是待解之謎。

在宇宙線的能譜（宇宙線數量在粒子能量上的分布）上，有一個關鍵轉折點，大約在3千萬億電子伏處，宇宙線的數量會突然急劇減少。這個拐點因為形狀酷似人的膝蓋，被形象地稱為“膝”。

“拉索”首席科學家、中國科學院高能物理所曹臻院士介紹，以前科學家們主要認為，宇宙線來自超新星遺跡，也就是大質量恒星爆炸后的殘骸。但是觀測和理論都顯示，它們很難把粒子加速到“膝”及以上的高能量。

如何探尋宇宙線？

由于宇宙線粒子帶電，在傳播過程中會受磁場影響而“拐彎”，所以無法直接根據宇宙線粒子行跡找到其起源天體。不過，當宇宙線與星際物質發(fā)生碰撞時，所產生的高能伽馬射線卻是不帶電的，可以在太空中保持“直線飛行”。

“這些高能伽馬射線就像宇宙線在銀河系內留下的一串串‘足跡’，通過它們，科學家可以反推出宇宙線的加速源位置，為尋找宇宙線起源天體提供重要依據?！辈苷檎f。

“拉索”做了什么？

“拉索”此次的發(fā)現直接指向了一類宇宙中的特殊系統——微類星體。處于雙星系統中的黑洞，憑借其強大的引力不斷吞噬伴星的物質，在這個過程中，部分物質會以噴流形式被噴射出來，這種有吸積也有噴流的黑洞就是微類星體。

此次研究中，“拉索”首次捕捉到來自五個微類星體的超高能伽馬射線信號，結合“拉索”精確測量出的宇宙線能譜，研究人員發(fā)現產生這些伽馬射線的粒子能量正處于宇宙線能譜的“膝”區(qū)。

“這表明，銀河系里存在多種‘粒子加速器’。微類星體具有明顯高于超新星遺跡的加速極限，能達到‘膝’的能量門檻，成為高能宇宙線的新來源?！辈苷檎f。

作為以宇宙線觀測研究為核心目標的國家重大科技基礎設施，“拉索”此次新發(fā)現，不僅破解了困擾學界多年的宇宙線“膝”形成之謎，更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，為理解宇宙的極端物理過程開辟了一條新的途徑。

深度參與科學事業(yè)，拓展人類認知邊界，“拉索”正持續(xù)帶來具有全球影響力的突破性成果。

綜合新華社、央視新聞