首次发现高能宇宙线新来源！“拉索”成果又上新

xinwen.mobi · 发表于 2025-11-17 02:39:16

中国“拉索”首次发现高能宇宙线新来源，破解宇宙线“膝”形成之谜
浩瀚宇宙中，无数微观粒子以近光速穿梭不息，它们被称为宇宙线。这些“天外来信”的能量来源，尤其是其中高能宇宙线的起源，是困扰科学界近百年的谜题。

近日，我国高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）发布最新科学成果，首次发现黑洞与伴星相互作用形成的微类星体，是超高能宇宙线的新来源。

这一突破性发现不仅破解了困扰学界近70年的宇宙线“膝”形成之谜，更首次在观测上将“膝”结构与具体类型的天体——黑洞喷流系统关联起来，为理解宇宙的极端物理过程开辟了新途径。

01 宇宙线“膝”：困扰科学界70年的谜题
宇宙线是来自外太空的带电粒子，主要成分为各种原子核，作为传递宇宙大事件的“信使”，它们自1912年被发现以来，起源一直是待解之谜。

在宇宙线的能谱上，大约在3千万亿电子伏（3PeV）处，宇宙线数量会突然急剧减少。这个拐点因形状酷似人的膝盖，被形象地称为“膝”。

“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理所曹臻院士解释：“以前科学家们主要认为，宇宙线来自超新星遗迹，也就是大质量恒星爆炸后的残骸。但观测和理论都显示，它们很难把粒子加速到‘膝’及以上的高能量”。

近70年来，“膝”的物理成因一直是未解之谜。科学家曾猜测它与宇宙线加速源的天体物理特性有关，但一直缺乏观测证据。

02 追踪宇宙线的挑战与方法
探寻宇宙线起源面临巨大技术挑战。由于宇宙线粒子带电，在传播过程中会受磁场影响而“拐弯”，无法直接根据粒子行迹找到其起源天体。

不过，当宇宙线与星际物质发生碰撞时，会产生高能伽马射线，这些射线不带电，可在太空中保持“直线飞行”。

这些高能伽马射线就像宇宙线在银河系内留下的“足迹”，通过它们，科学家可以反推出宇宙线的加速源位置，为寻找宇宙线起源天体提供重要依据。

03 “拉索”的新发现：微类星体作为宇宙线新来源
在此次研究中，“拉索”将目光投向了一类宇宙中的特殊系统——微类星体。处于双星系统中的黑洞，凭借强大引力不断吞噬伴星物质，过程中部分物质以喷流形式被喷射出来，这种有吸积也有喷流的黑洞就是微类星体。

研究中，“拉索”首次捕捉到来自五个微类星体的超高能伽马射线信号，这五个微类星体编号分别为SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070和Cygnus X-1。

结合“拉索”精确测量出的宇宙线能谱，研究人员发现产生这些伽马射线的粒子能量正处于宇宙线能谱的“膝”区。

04 黑洞的强大加速能力
微类星体展现出惊人的能量输出能力。SS 433的超高能辐射与周围巨型原子云重合，强烈暗示来自于被黑洞加速的高能质子与物质的碰撞。

分析表明其加速的质子能量超过1拍电子伏，总功率高达约每秒10^32次方焦耳，相当于每秒释放四百万亿颗地球上最大威力氢弹的能量。

来自V4641 Sgr的伽马射线能量达到0.8拍电子伏，成为又一个“超级拍电子伏粒子加速器”，产生这些伽马射线的父辈粒子能量超过10拍电子伏。

05 精确测量宇宙线质子能谱
要真正理解宇宙线“膝”的成因，必须精确测量宇宙线各成分的能谱及各自的“膝”。首先是最轻的原子核——质子的能谱分布。

然而，“膝”区的宇宙线稀少，卫星探测器面积有限，探测如同大海捞针；地面实验受大气层干扰，很难清晰地将质子从大量其他原子核产生的事例中识别出来。

长期以来，这一测量被认为是公认不可能完成的任务。

“拉索”巧妙利用其强大的地面观测装置，采用多参数测量技术成功筛选出大统计量的高纯度质子样本，从而精确测量其能谱，精度媲美卫星实验。

06 宇宙线起源的新图景
这一突破性测量揭示了完全超出预期的能谱结构，清晰展现出一个新的“高能组分”而非简单的幂律转换。

“拉索”的新结果与国际空间站阿尔法磁谱仪2（AMS-02）测得的低能组分、中国“悟空号”暗物质探测卫星测得的中能组分一起，揭示银河系内存在多种类的加速源。

每一类加速源有各自独特的加速能力和能量范围，而宇宙线“膝”正是产生高能组分的源的加速极限表现。

质子能谱的复杂结构表明，拍电子伏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。

“拉索”的新发现如同在黑暗中突然点亮了一盏灯，让我们第一次看清了宇宙线‘膝’的起源。这不仅是解开一个70年谜题的关键，更开启了一扇理解宇宙极端物理过程的新窗口。

未来，随着更多观测数据的积累，我们或许能绘制出更完整的宇宙线起源图景，进一步揭示黑洞作为宇宙粒子加速器的奥秘。

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