科学家将“膝盖”的形成与黑洞联系起来，宇宙射线之谜得以解决
能量重建、质子选择原理和性能。图片来源：《科学通报》
（蜘蛛网eeook.com）据中国科学院：大型高空气簇射观测站（LHAASO）于11月16日发布的里程碑性结果，解开了关于宇宙射线能量谱的数十年谜团——该能谱显示宇宙射线在3 PeV以上时会急剧下降，呈现出异常的膝状形状。
自近70年前发现“膝盖”现象以来，其成因一直不清楚。科学家们推测，它与宇宙射线天体物理源的加速度极限有关，反映了宇宙射线能量谱从一种幂律分布向另一种分布的转变。
然而，现在两项最新研究——分别发表在《国家科学评论》和《科学通报》上——表明，由黑洞系统吸积驱动的微型类星体是银河系中强大的粒子加速器，很可能是“膝”的来源。这些研究还推动了我们对黑洞系统极端物理过程的理解。
该研究由中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、罗马萨皮恩扎大学及其他机构的研究人员共同完成。
被识别为宇宙加速器的微型类星体
黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，在双星系统中吸积伴星物质时会产生相对论喷流，形成“微型类星体”。在这项研究中，LHAASO首次系统性探测到来自五个微型类星体的超高能伽马射线：SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070和天鹅座X-1。
特别是，来自SS 433的超高能辐射与一个巨大的原子云重叠，强烈表明高能质子被黑洞加速并与周围物质碰撞。
该系统的质子能量超过1 PeV，总功率输出约为每秒1032焦耳，相当于四万亿最强氢弹每秒释放的能量。V4641 Sgr的伽马射线能量达到0.8 PeV，使其成为另一个“超级PeV粒子加速器”，而产生这些伽马射线的母粒子能量超过10 PeV。
这些结果证明，微类星体是银河系中重要的 PeV 粒子加速器，解决了科学中一个长期存在的问题：虽然超新星残余物在历史上被认为是宇宙射线源，但观测和理论研究表明，它们无法将宇宙射线加速到“膝盖”及更远的能量。
测量宇宙射线光谱的挑战
为了充分理解这一现象，必须精确测量各种宇宙射线物种的能谱，包括它们各自的“膝盖”。第一步是测量最轻的原子核——质子的能谱。然而，“膝盖”区域的宇宙射线稀疏，卫星探测器的接受度有限，这使得探测类似于大海捞针。
在对宇宙射线粒子的地面间接测量中，不可能避免大气干扰。这使得质子与其他原子核难以区分开来。很长一段时间，这种测量被认为是不可能的。
在这项研究中，LHAASO利用其世界领先的地面宇宙射线观测设备，开发了多参数测量技术，并选择了大量的高纯度质子统计样本，可以精确测量其能谱，精度可与卫星实验相媲美。这次测量揭示了一个完全出乎意料的能谱结构，清楚地显示出一个新的“高能分量”，而不是幂律谱之间的简单转换。
多种加速器塑造宇宙射线起源
LHAASO的新发现，连同星载AMS-02实验测得的低能分量和星载DArk物质粒子探测器（DAMPE）实验测得的中能分量，揭示了银河系内存在多个加速器，每个加速器都有其独特的加速能力和能量范围。“拐点”代表负责产生高能分量的源的加速度极限。
质子能谱的复杂结构表明，PeV能量范围内的宇宙射线质子主要来源于微类星体等“新源”，其加速度极限明显高于超新星残余体。这使它们能够产生超过“膝盖”的高能宇宙射线。
突破将黑洞与宇宙射线连接起来
这两项发现相互支持，呈现出一幅全面的科学图景。这不仅标志着在解开“膝盖”起源之谜方面取得了重大进展，也为理解黑洞在宇宙射线起源中的作用提供了重要的观测证据。
LHAASO的混合探测器阵列设计允许通过超高能伽马射线探测宇宙射线源，同时能够精确测量太阳系附近的宇宙射线粒子。这种方法提供了对 PeV 能量源的加速能力及其对宇宙射线贡献的光谱特征的见解。“膝盖”结构首次在观测上与一种特定类型的天体物理源——黑洞喷流系统联系起来。
LHAASO由中国科学家设计、建造和运营，因其在伽马射线天文探测和宇宙射线精密测量方面的灵敏度，在高能宇宙射线研究方面处于领先地位。它取得了一系列具有全球影响的发现，从而有助于我们了解宇宙中的极端物理过程。
更多信息：科学通报（2025 年）。DOI：10.1016/j.scib.2025.10.048
