宇宙线“膝”为何存在？“拉索”发现黑洞是“幕后推手”丨深壹度

四川在线记者 高杲

11月16日，位于甘孜州稻城县的高海拔宇宙线观测站（简称“拉索”）发布了两项科学成果：一是以前所未有的精细度，测量了宇宙线质子的能谱；二是推动了将微类星体视为“膝”区宇宙线可靠加速源的研究。

两个成果破解了一个困扰科学家近70年的难题：此前，银河系内公认的宇宙线源是超新星遗迹，但观测和理论都发现它们无力将宇宙线加速到宇宙线“膝”及以上的高能量，此次成果认为，银河系内存在多种类的宇宙线源，黑洞是最有可能的宇宙线源之一，把宇宙线加速到“膝”以上的，是黑洞吸积驱动的微类星体，这不仅揭示了宇宙线起源的关键机制，也为理解黑洞系统的极端物理过程开辟了一条新的途径。

为何要研究“膝”？

将揭开宇宙线的来源和旅行方式

在我们的肉眼视线范围之外，地球沐浴在一场场来自宇宙深处的“暴雨”中。不过，这场“雨”并非由水滴组成，而是由数千亿颗微小粒子汇聚而成，这些粒子就是宇宙线，它们的起源是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一。

“膝”是宇宙线能谱（宇宙线数量在粒子能量上的分布）在3拍电子伏后呈现出的一个拐折结构，其形状类似于人体膝关节，因此也被称为“膝”，宇宙线能谱“膝”机构，深刻关联着宇宙线的来源和它们在宇宙空间中的旅行方式。

虽然早在上世纪50年代末，科学家们就发现了“膝”，但在此后近70年，关于“膝”结构形成的原因，一直是悬而未解的问题。

为何？

“拉索”首席科学家、中国科学院院士曹臻说，想要弄清楚这一问题，需要精确测量宇宙线中不同单元素成分的能谱及其"膝"结构，但当宇宙线能量攀升至“膝”区高度时，宇宙线粒子的数量将变得稀少，空间探测器受限于有效探测面积，对“膝”区宇宙线探测如同大海捞针，地面探测器则面临大气层干扰的难题，难以从众多的宇宙线混合成分中有效分离出质子信号。

因此，宇宙线质子“膝”的测量，一直被公认为是不可能完成的任务。学界猜测，“膝”的形成，可能是因为宇宙线源加速能力存在上限，从而导致宇宙线能谱上限处发生拐折。

有哪些成果？

黑洞是“膝”形成“推手”

拉索的出现，正在破解这一难题。它坐落于海拔4400米海子山上，部署了超过一平方公里的探测器阵列，包括5216台闪烁体探测器和1188台埋在地下的水切伦科夫探测器，像一双双敏锐的眼睛，能够捕捉到从宇宙深处飞来的宇宙线信号。

“依靠‘拉索’，我们不仅完成了对‘膝’区质子能谱的精确刻画，并首次发现了超出预期的高能组分能谱结构。”曹臻说，以前的观点认为“膝”是一个简单的转折，即从一条“直线”拐到更陡的“直线”。现在，能谱的复杂结构表明，“膝”并非简单转折，而是出现了“膝盖”一样的“鼓包”，这个鼓包的出现，意味着可能有新成分出现。“这好比在一个班级里，以前大家身高体重都差不多，但拉索发现还有一群特别高大强壮的学生，让我们看到了过去被掩盖的真相。”

此前，银河系内公认的宇宙线源是超新星遗迹，但并没有证据表明它们是“膝”区宇宙线的源，观测和理论都发现它们无力将宇宙线加速到宇宙线“膝”及以上的高能量。美国威斯康星大学麦迪逊分校讲席教授弗朗西斯·哈尔岑说，这项研究揭示了银河系内可能存在多种类的宇宙线源。

那么是谁“制造”了这些能量极高的宇宙线质子？答案是黑洞。

“以前，我们认为黑洞就是要‘吞噬’伴星等物质，但现在发现它还会以‘喷流’的形式将物质‘吐’出来，这个系统就是‘微类星体’。”曹臻说，“拉索”对北半球的微类星体进行了搜寻，结果探测到5个微类星体的超高能伽马射线。

其中，名为SS 433的微类星体加速质子总功率高达约每秒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。来自V4641 Sgr产生伽马射线的父辈粒子能量超过10拍电子伏，此外，能谱的复杂结构表明，拍电子伏特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，构建了一个完整的科学证据链：一方面，从宇宙线的“源头”，即微类星体，直接看到了其强大的拍电子伏粒子加速能力；另一方面，从抵达地球的宇宙线“终点”，也就是宇宙线能谱，看到了这类源所贡献的独特特征。

这些“高能组分”的成果，和此前AMS-02测得的低能组分、“悟空号”测得的中能组分一起，揭示了银河系内存在多种类的加速源，每一类有各自独特的加速能力和能量范围，而“膝”正是产生高能组分的源的加速极限表现。

这项研究有何意义？在业内看来，这项研究不仅解决困扰学界近70年的“膝区成因”难题，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。

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·帕雷德斯说，这些成果将微类星体确立为重要的拍电子伏宇宙线源，并为了解黑洞核心或喷流中的加速过程提供了珍贵的线索，标志着银河系高能天体物理研究开启了新纪元。

对于未来，曹臻信心更足。他打了一个比方，以前的测量，就像把黑瓜子、白瓜子混在一起，只能看出个大概，“拉索”让这些不同颜色、不同大小的瓜子清晰地分开，让我们能精准地挑出其中一种进行单独研究，这将构建起一个从微观粒子到宏观天体的完整科学图景。

来源：四川在线