本报记者 陆成宽
长久以来，黑洞都被视为吞噬一切的“终结者”。然而，我国高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)的重大发现，一举颠覆了这一认知，证实黑洞还是超高能宇宙射线的源头。
基于“拉索”的观测数据，来自中国科学院高能物理研究所等单位的科研人员发现，黑洞是宇宙中的“超级粒子加速器”，并成功破解困扰科学界近70年的宇宙线“膝”区形成之谜。相关两项研究成果16日发表于《国家科学评论》(英文版)和《科学通报》(英文版)。
宇宙线是来自宇宙空间的高能带电粒子，主要由质子和多种元素的原子核组成。由于它携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息，因此，研究宇宙线及其起源是探索宇宙的重要途径。
黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天体之一。双星系统中的黑洞，在吞噬伴星物质的同时，可产生速度接近光速的剧烈喷流。处于这种状态的黑洞被科学家称为微类星体。
利用“拉索”，我国科学家首次发现SS 433、V4641 Sgr等五个微类星体的超高能伽马射线。其中，SS 433的超高能辐射，正好与一片巨型的原子云重合。这就像找到了“枪口冒出的硝烟”，证明黑洞将质子加速到超高能量后，与原子云发生了猛烈碰撞。“这股能量的峰值超过1PeV(千万亿电子伏)，总功率高达每秒1032焦耳，形象地说，相当于释放四百万亿颗人造最强炸弹——‘沙皇’氢弹的能量。”中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻说。
此外，来自V4641 Sgr的伽马射线能量也高达0.8PeV，表明其父辈粒子能量超过10PeV，是名副其实的“超级加速器”。“银河系内公认的宇宙线源是超新星遗迹，但观测和理论都证明，这些遗迹的加速能力有限，根本无力将粒子加速到宇宙线的‘膝’区。这些发现找到了银河系内超高能宇宙射线的加速源。”曹臻解释。
宇宙线的能量分布并非一条直线。它会在约3PeV处出现一个明显的拐弯，形状酷似人的膝盖，因此被科学家称为“膝”。越过此点，宇宙线的数量便会急剧下降。
近70年来，“膝”的成因一直是个谜。最主流的猜测是，宇宙线的源头天体加速能力有极限，到了“膝”对应的能量就加速不动了。要验证这一点，就必须精确测量不同宇宙线成分，尤其是最轻的质子的能谱。
然而，这项测量极为困难：能量达到“膝”区的宇宙线非常稀少，用卫星探测如同“大海捞针”；而地面实验又受大气干扰，难以从众多粒子中精准识别出质子。因此，精确测量质子能谱曾被认为是不可能完成的任务。
“拉索”凭借其强大的探测能力，成功突破了这一极限。它实现了对“膝”区高纯度质子样本的精确测量，其精度甚至可以媲美卫星实验。这一测量带来了颠覆性的发现：质子能谱在“膝”区并非简单的拐弯，而是显现出一个全新的高能组分。
“拉索”的新发现，与阿尔法磁谱仪2号测到的低能组分和我国“悟空号”测到的中能组分一起，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”正是产生高能组分加速源的加速能力达到极限的表现。
曹臻表示，这一发现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途径。
(科技日报北京11月16日电)
