封面新聞記者 趙雨笙

日前，位于四川的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）傳來最新科研成果，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將宇宙中的粒子加速到極高能量。這一發現，破解了困擾科學界近70年的未解之謎——宇宙線質子能譜上形似人膝蓋的拐折結構從哪里來。

位于四川省稻城縣的高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）。圖據中國科學院

這一成果為理解黑洞在宇宙線起源中的作用提供了什么證據？該發現為理解黑洞系統的極端物理過程開辟了哪些新思路？記者專訪中國科學院院士、高能物理研究所研究員、“拉索”首席科學家曹臻。

破解謎題

微類星體是強大的粒子加速器

黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一，被視為吞噬一切的“終結者”。“拉索”的最新發現可能顛覆這一認知，證實黑洞還是超高能宇宙射線的源頭。

處于雙星系統中的黑洞，憑借強大的引力不斷吞噬伴星物質。在此過程中，部分物質會以噴流形式噴射出來，這種既有吸積也有噴流的黑洞就是微類星體。

宇宙線是來自宇宙空間的高能帶電粒子，因其攜帶宇宙起源、天體演化、太陽活動等重要信息被稱為傳遞宇宙大事件的“信使”。宇宙線能量分布圖上有一個關鍵轉折點，因形似人的膝蓋而被稱為“膝”，其成因一直是待解之謎。

“拉索”此次的發現，直接指向了一類宇宙中的特殊系統——微類星體。

“拉索”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，可將宇宙線加速至“膝”及以上的高能量。

中國科學院院士、高能物理研究所研究員曹臻。受訪者供圖

曹臻告訴記者，“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。

他進一步指出，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。

“考古”宇宙

為理解黑洞系統開辟新途徑

“膝”是宇宙線能譜（宇宙線數量在粒子能量上的分布）在3拍電子伏后呈現的一個拐折結構。近70年前被發現后，科學家曾猜測其為加速源天體加速能力極限所致。對這一問題的深入理解必須精確測量宇宙線各成分的能譜及各自的“膝”，但長期以來這一測量被認為不可能完成。

這次通過位于稻城縣海拔4410米的海子山，包括5216臺閃爍體探測器和1188臺埋在地下的水切倫科夫探測器在內的“拉索”探測器陣列，捕捉到從宇宙深處飛來的宇宙線信號，意味著什么？

“拉索”最新研究成果日前發表在《科學通報（英文版）》。圖據受訪者

曹臻指出，這次觀測不僅完成了對“膝”區質子能譜的精確刻畫，更為重要的是首次發現超出預期的高能組分能譜結構。“膝”并非簡單轉折，而是出現似“膝蓋”一樣的“鼓包”，這種“鼓包”意味著可能有新成分出現。

他告訴記者，銀河系內公認的宇宙線源是超新星遺跡，也就是大質量恒星爆炸后的殘骸。但觀測和理論都發現它們無力將宇宙線加速到“膝”及以上的高能量。這次觀測成果認為，銀河系內存在多種類宇宙線源，而黑洞是最有可能的宇宙線源之一。“將宇宙線加速到‘膝’以上的，是黑洞吸積驅動的微類星體。”

“宇宙線來自哪里，如何被加速到如此之高的能量，一直是困擾科學家的問題。”曹臻說。

曹臻舉例，就像古生物學家通過分析化石，就可以推測數百萬年前的環境。天體物理學家接收到幾十億年前的星星發來的射線，就可以通過這束射線研究幾十億年前的宇宙。他形象地把宇宙線研究比喻成“考宇宙的古”。

在他看來，這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。