整整70年，那個(gè)困擾全人類物理學(xué)界的“宇宙射線膝區(qū)之謎”，終于被中國科學(xué)家在海拔4410米的高山上，用捕捉到的能量高達(dá)千萬億電子伏特（PeV）的粒子流徹底破解了！

這是一場跨越半個(gè)多世紀(jì)的物理學(xué)“懸案”，也是人類認(rèn)知銀河系暴力美學(xué)的里程碑。2025年11月16日，中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO（高海拔宇宙線觀測站）國際合作組，在權(quán)威期刊《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）上拋出重磅炸彈：他們不僅精準(zhǔn)測量了最純凈的宇宙線質(zhì)子能譜，更順藤摸瓜，找到了那個(gè)折斷宇宙線脊梁的“幕后黑手”。

這意味著，我們終于看清了銀河系這臺超級粒子加速器的“極限發(fā)動機(jī)”究竟是誰。

01

來自深空的“膝蓋”：一個(gè)困擾物理學(xué)界70年的詛咒

如果要給宇宙中的未解之謎排個(gè)座次，“宇宙射線膝區(qū)”（Cosmic Ray Knee）絕對能進(jìn)前十。

故事要從上世紀(jì)50年代說起。當(dāng)科學(xué)家統(tǒng)計(jì)那些從外太空無休止轟擊地球的高能粒子（宇宙射線）時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)詭異的現(xiàn)象：隨著能量升高，粒子的數(shù)量原本是按比例平滑下降的。但在能量達(dá)到 3-4 PeV（3000-4000萬億電子伏特） 附近時(shí)，那條原本順滑的曲線，突然像被人狠狠打了一棍子，陡然向下彎折。

這個(gè)折點(diǎn)，形狀像極了人類的膝蓋，因此被物理學(xué)家稱為“膝區(qū)”。

這不僅僅是一條曲線的彎曲，它在尖叫著告訴我們一個(gè)事實(shí)：銀河系里的某種加速機(jī)制，在這里“斷氣”了。

這就好比你在看百米賽跑，運(yùn)動員跑得飛快，突然在30米處集體減速。你一定會問：是誰在前面擋了路？還是他們的體能到了極限？

70年來，全世界的物理學(xué)家都在猜測。有人說是超新星遺跡（SNR）不行了，有人說是粒子傳播路徑變了。但所有人都卡在了一個(gè)技術(shù)死結(jié)上：

我們看不清。

天上的衛(wèi)星探測器精度高，但太小，根本抓不到那么稀有的PeV級高能粒子；地面的探測陣列夠大，但在大氣層這個(gè)“過濾器”的攪和下，最關(guān)鍵的質(zhì)子（Proton）總是混在一堆氦核、鐵核里，就像把一勺鹽撒進(jìn)面粉，根本分不開。

直到中國LHAASO的出現(xiàn)，在這個(gè)死結(jié)上狠狠地切了一刀。

02

沙里淘金：四川稻城高山上的“火眼金睛”

LHAASO（拉索）有一項(xiàng)獨(dú)門絕技：混合觀測。

在這個(gè)位于四川稻城海子山的巨大陣列中，科學(xué)家們利用KM2A陣列捕捉繆子（Muon），配合WFCTA望遠(yuǎn)鏡觀測簇射發(fā)展深度。這就像給了科學(xué)家一副透視眼鏡，能在數(shù)百萬次宇宙線轟擊中，精準(zhǔn)地把那些重原子核剔除，篩選出純度超過90%的質(zhì)子樣本。

這一手“沙里淘金”，讓LHAASO做到了前人做夢都不敢想的事：繪制出從0.15 PeV到12 PeV的超高精度純質(zhì)子能譜。

數(shù)據(jù)出來的瞬間，所有人都屏住了呼吸。

這張圖譜并不是簡單的“下坡”，它講了一個(gè)驚心動魄的故事：在那個(gè)著名的“膝蓋”之前，能譜竟然先是反常地“變硬”（上升），一路沖到3 PeV的頂峰，然后才劇烈“變軟”（下降）。

03

真相大白：黑洞的暴力美學(xué)

結(jié)合LHAASO在《國家科學(xué)評論》發(fā)表的姊妹篇研究，這個(gè)困擾人類70年的謎底終于被揭開。

原來，銀河系的粒子加速并不是某個(gè)單一源頭的獨(dú)角戲，而是一場宏大的宇宙接力賽。

第一棒：垂死的恒星。我們熟知的超新星遺跡（恒星爆炸后的殘骸），長期以來被認(rèn)為是宇宙線的主力。但LHAASO的數(shù)據(jù)無情地顯示，它們其實(shí)是“短跑選手”。在 0.1 PeV 左右，超新星遺跡就已經(jīng)力竭，“油門”踩到了底，無法再把粒子加速到更高能量。

第二棒：貪婪的黑洞。就在超新星遺跡“熄火”的地方，一個(gè)更恐怖的角色接過了接力棒——微類星體（Micro-quasars）。

這是銀河系內(nèi)的黑洞雙星系統(tǒng)。黑洞貪婪地吞噬著伴星的物質(zhì)，吃不下的部分被轉(zhuǎn)化為接近光速的噴流射向宇宙。LHAASO觀測到的SS 433等微類星體，正是這種狂暴的“超級PeV加速器”。

正是這些黑洞引擎，接管了超新星遺跡留下的真空，暴力地將質(zhì)子繼續(xù)加速，一路推高到 3 PeV 甚至 10 PeV 的能量巔峰，并在那里劃下了那道著名的“膝蓋”。

所謂“膝區(qū)”，不是終點(diǎn)，而是黑洞噴流的極限。

04

仰望星空的意義

這不僅僅是一次數(shù)據(jù)的勝利。

過去，我們以為銀河系的宇宙線是超新星的余暉；現(xiàn)在我們知道，那其中還夾雜著黑洞的咆哮。中國科學(xué)家用最硬核的數(shù)據(jù)，把人類對高能宇宙的認(rèn)知邊界，硬生生地向前推了一大步。

正如LHAASO首席科學(xué)家曹臻所言，我們正在拼湊一幅完整的銀河系拼圖。

下一次，當(dāng)你仰望星空，看到那深邃的黑暗時(shí)，請記得：在那看似平靜的夜幕后，正有無數(shù)粒子被黑洞的噴流加速到難以想象的能量，穿越萬億公里的虛空，在這一刻，轟擊在地球的大氣層上。

那是來自宇宙深淵的問候。

參考文獻(xiàn)：

LHAASO Collaboration. Precise measurements of the cosmic ray proton energy spectrum in the "knee" region. Science Bulletin (2025).

LHAASO Collaboration. The first LHAASO catalog of gamma-ray sources. Astrophys J Suppl Ser (2024).

News Release: Cosmic ray puzzle resolved as scientists link 'knee' formation to black holes. Phys.org, Nov 16, 2025.