在地球上尋找宇宙線的源頭

　　拉索測量到宇宙線質子的能譜，與阿爾法磁譜儀2和悟空號等空間探測器一起，揭示了宇宙線存在低能、中能和高能三個組分，暗示了銀河宇宙線的多種來源特征。拉索測到的高能組分很有可能來自于圖中右上方顯示的微類星體，而更低能量的宇宙線質子更可能來自傳統的超新星遺跡的加速。左上方展示的是拉索最新發現的一個超新星高能伽馬輻射。研究團隊供圖

　　黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天體之一。近日，中國科學院高能物理研究所發布了高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）兩項具有里程碑意義的科學成果，都與黑洞有關。

　　其一是黑洞吸積驅動的微類星體是銀河系中強大的粒子加速器，能夠將質子加速至拍電子伏（PeV，1PeV=1000萬億電子伏）能段；另一項成果是宇宙線質子能譜“膝區”顯現超出預期的高能組分，黑洞正是其最可能的候選源天體。

　　“這幾乎顛覆了我們對黑洞的傳統理解。”中國科學院院士、拉索首席科學家曹臻說。

　　位于天鵝座的微類星體Cygnus X-1，是最早發現的微類星體之一。不同顏色表示了拉索測到的伽馬射線強度，紅色-黃色-白色表現了強度由弱到強的變化。研究團隊供圖

　　“黑洞一個鮮為人知的重要特性”

　　11月16日，位于北京的中國科學院高能物理研究所多學科大樓內，風已將樹葉搖落，這正是引力作用的生動體現。而齊聚在這里的物理學家們，則在共同關注著不知多少光年之外黑洞的引力牽引——那里，宇宙線正被極端引力加速，形成壯觀的噴流。

　　當天發布的兩項成果，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一條新途徑。它們由中國科學院高能物理研究所、南京大學、中國科學技術大學、羅馬第一大學等機構完成，分別發表于《國家科學評論》（英文版）和《科學通報》（英文版）。

　　“這次的發現為何如此特殊？首先，什么是黑洞？大家在傳統意義上如何理解黑洞？黑洞是否只是吞噬一切的存在？它瘋狂地吸收周圍的一切，再也不會吐出，連光都無法逃逸，因此被稱為黑洞。然而，我們這次發現了黑洞一個鮮為人知的重要特性：它竟然是一個高能粒子加速器。”曹臻感慨道。

　　據他解釋，在吸收物質的過程中，黑洞會釋放出大量高能量物質。處于雙星系統中的黑洞在吸積伴星物質時可產生相對論性噴流，形成“微類星體”。而這一次，拉索系統性地探測到來自5個微類星體的超高能伽馬射線。

　　“大家可以想象一個巨大的漩渦，黑洞就像這樣一個漩渦，將周圍的物質吸引過來，繞著它旋轉，最終落入其中。然而，在旋轉過程中，粒子越靠近黑洞，旋轉速度越快，從而產生強烈的物質外流拋射。這些拋射出的物質形成了類似風的現象，更強烈的則形成中間的噴柱，稱為噴射流。噴射流一旦噴出，便會與周圍物質相互作用，成為加速粒子的關鍵源頭。”曹臻試著向記者講明白這一現象的原理。

　　在這次觀測的5個微類星體中，SS 433的超高能輻射與周圍巨型原子云重合，強烈暗示來自被黑洞加速的高能質子與物質的碰撞。分析表明，該系統加速的質子能量超過1PeV，總功率約每秒1032焦耳。而來自微類星體V4641 Sgr的伽馬射線能量達到0.8PeV，成為又一個“超級PeV粒子加速器”，即產生這些伽馬射線的父輩粒子能量超過10PeV。

　　這就使得微類星體成為銀河系內非常重要的一類PeV粒子加速器。用中國科學院高能物理研究所副所長魯巍的話說，雖然不能斷言這是唯一來源，但這一發現為人類理解宇宙線提供了重要依據，也揭示了宇宙中多種高能粒子產生機制的存在。

　　“宇宙里面有各種不同的產生高能粒子的機制。有些是已經發現，有的其來源至今仍不明確。現有的理論多為猜測或模型，缺乏實驗或觀測證據支持，這說明宇宙中存在多種尚未被發現的粒子加速機制。而這次我們發現，黑洞很可能是產生高能宇宙線的重要來源之一。”魯巍對中青報·中青網記者說。

　　位于南天區的微類星體V4641 Sgr，是拉索測到的具有最高能量的伽馬射線源。不同顏色表示了拉索測到的伽馬射線強度，紅色-黃色-白色表現了強度由弱到強的變化，右下的放大圖顯示了黑洞附近的x-射線照片，顯示了噴流可能的方向和長度。研究團隊供圖

　　建造拉索，就是想去找宇宙線的源

　　這次發布的成果，解決了困擾科學家多年的一個難題：銀河系內公認的宇宙線源是超新星遺跡，但觀測和理論都發現它們無力將宇宙線加速到宇宙線“膝”及以上的高能量。

　　據拉索團隊解釋，宇宙線能量分布圖上有一個關鍵轉折點，由于其形狀酷似人的膝蓋，稱為“膝”，大約在3PeV處，能量更高的宇宙線數量急劇減少。近70年前發現“膝”以來，一直未弄清其成因，只是被猜測為加速源天體加速能力極限所致，呈現為宇宙線能譜從一個簡單的“冪律譜”轉換為另一個簡單的“冪律譜”。要真正理解這個問題，必須精確測量宇宙線各成分的能譜及各自的“膝”。

　　然而，“膝區”的宇宙線稀少，衛星探測器面積有限，探測如同大海撈針；地面實驗受大氣層干擾，很難清晰地將質子從大量其他原子核產生的事例中識別出來。

　　長期以來，這一測量是公認不可能完成的任務。

　　拉索巧妙利用其強大的地面觀測裝置，采用多參數測量技術成功篩選出大統計量的高純度質子樣本，從而精確測量其能譜，精度媲美衛星實驗。這一突破性的測量揭示了完全超出預期的能譜結構，清晰展現出一個新的“高能組分”。

　　拉索的新結果與阿爾法磁譜儀測得的低能組分、“悟空號”衛星測得的中能組分一起，揭示了銀河系內存在多種類的加速源，每一類有各自獨特的加速能力和能量范圍，而“膝”正是產生高能組分的源的加速極限表現。

　　質子能譜的復雜結構表明，PeV能段的宇宙線質子主要來自微類星體這類“新源”，它們具有明顯高于超新星遺跡的加速極限，能夠產生超過“膝”的高能宇宙線。兩項成果相互印證，構建起一個完整的科學圖景。這不僅為解決困擾學界近70年的“膝區成因”難題邁出關鍵一步，也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。

　　“這些現象早已被觀測到，人們知道噴流的存在及其效應，如粒子加速過程中伴隨的強烈X射線和射電波段輻射，甚至低能量伽馬射線的輻射。然而，未知的是，這些現象能將粒子加速到如此高的能量，以至于我們能夠觀測到極高能量的輻射。”曹臻說。

　　據他解釋，噴流的加速區域還不是最驚人的。更驚人的是，團隊觀測到，這些高能量粒子并不完全停留在噴流中，而是在另一個方向被他們觀測到。

　　之所以能觀測到，是因為目標黑洞周圍存在一塊由原子氣體組成的“云”。這表明，噴出的物質可能不僅朝兩個方向噴射，而是向各個方向都有噴射。噴射后的加速粒子到達這片云中，撞擊云層，產生出被觀測到的超高能光子。而且，這一現象并沒有在能量較低的波段里發現，只有超高能光子才在此處產生。

　　“這使得我們意識到，沒有先進的觀測設備，我們無法發現這一現象。”曹臻說，“我們建造拉索，就是想去找宇宙線的源，現在這個發現，就是一個非常明確的證據，證明我們已經找到了這個源。”

　　距離地球最近的著名微類星體SS 433。中央綠色的等高線顯示出黑洞附近吸積過程產生的x射線分布，左右兩側比較對稱的等高線顯示了噴流端頭粒子加速區發出的x射線分布，與之對應，紅色表征了拉索測到的TeV伽馬射線輻射分布。靠近中上的黃色顯示了拉索首次測到的超高能伽馬射線輻射分布，與白色顯示的原子氣體很好重合，支持超高能伽馬射線的強子起源，表明SS 433能夠把質子加速到PeV能區。研究團隊供圖

　　逐步解決宇宙線起源的科學問題

　　拉索由中國科學家自主設計、建設并運行，在伽馬天文探測與宇宙線精確測量兩方面具備高靈敏度。拉索團隊成員、南京大學天文與空間科學學院研究員柳若愚也提到，之前，理論上也曾對黑洞與宇宙線起源的關聯有過相關猜測，但都缺乏觀測證據。

　　“這是因為之前沒有足夠靈敏的探測設備，能在超高能區有效觀測，無法建立觀測與理論的關聯。即使有些理論討論，也未能引起廣泛關注。”柳若愚說。

　　而這次，拉索裝置憑借前所未有的靈敏度，首次在超高能伽馬射線波段清晰觀測到這類源的存在，才將黑洞與宇宙線起源直接聯系起來。

　　據研究團隊解釋，拉索的復合型探測器陣列設計，使他們既能夠通過超高能伽馬射線探測宇宙射線的源天體，也能夠對太陽系附近的宇宙線粒子進行精確測量，既從天體源端看到了PeV能量的加速能力，又從宇宙線端看到了這類源所貢獻的能譜特征。

　　這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。

　　“尋找宇宙線起源的研究已邁出重要一步。我們已經找到了一個典型例子，且這一例子并非孤例。”曹臻提到，在銀河系中，根據其他波段的觀測，團隊預計在觀測范圍內應有12個同樣的黑洞，目前已發現5個。

　　“隨著時間的推移和更多觀測證據的積累，我們有望發現更多有趣的、能產生高能量宇宙線的源，逐步解決宇宙線起源的科學問題。”曹臻說。

　　在他看來，這次結果顯然是一個重要突破，團隊也已經開始推動后續相關工作。“這是我們第一次真正看到一種能對宇宙線產生貢獻的天體類型。未來是否會發現更多此類天體，能否通過觀測更清晰地了解它們對宇宙線的貢獻，將是未來研究的重要內容。”

　　魯巍也提到，高能宇宙線的研究為高能物理學家“提供了新的思路”，例如通過尾場加速等機制，將少量粒子加速到極高能量，而非追求對撞機的高重復頻率和高粒子數。這樣可以在實驗室中模擬宇宙中的高能物理過程，檢驗現有理論如量子電動力學在極高能區的適用性，甚至可能發現新的物理現象。

　　曹臻也思考了一個問題，如今，研究團隊已經用黑洞解釋了現有最高能量級的宇宙線現象，未來如果出現更高能量的新現象，還有什么工具和理論來解釋？

　　“這是一個非常有趣的問題。領域內的專家們正聚焦于盡快找到下一個觀測范本，這是一個巨大挑戰和有趣的研究話題。再往下探測，會不會又出現一個新的‘鼓包’？”他充滿期待地說，“我們還不能確定，這確實難以預測，這些都是我們未來需要去探索的問題。”

　　他坦承，這些遙不可及的黑洞、宇宙線的問題，暫時都無法轉化為科技成果，是基礎研究中的基礎研究。

　　但正如中國科學院院士、實驗高能物理學家王貽芳曾經在采訪中對中青報·中青網記者所說的那樣，這些看上去“暫時沒什么用”的物理學重大突破，最終都會“推動文明的發展”。

中青報·中青網記者 張渺

來源：中國青年報

　　2025年11月24日 08版