我院参与高海拔宇宙线观测站（LHAASO）研究破解宇宙线“膝”形成之谜
——发现黑洞为拍电子伏加速器，成为宇宙线膝区新发现的高能组分最佳候选源天体
2025年11月16日，高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称“拉索”）在北京举行全球发布会，公布了两项具有里程碑意义的科学成果，分别发表于《National Science Review》与《Science Bulletin》。观测发现：（1）黑洞吸积驱动的微类星体是银河系中强大的粒子加速器，能够将质子加速至拍电子伏（PeV）能段；（2）宇宙线质子能谱“膝区”显现超出预期的高能组分，黑洞正是其最可能的候选源天体。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打开了新窗口。广州大学作为拉索国际合作组单位，参与了此两项工作。
图1: 拉索发布会现场
黑洞是宇宙中最具吸引力的神秘天体之一，处于双星系统中的黑洞在吸积伴星物质时可产生相对论性喷流，形成“微类星体”。拉索首次系统性地探测到来自SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、MAXI J1820+070与Cygnus X-1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。分析表明该系统加速的质子能量超过1 PeV（1 PeV = 10¹⁵ eV，即1000万亿电子伏特），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。这使得微类星体成为银河系内非常重要的一类PeV粒子加速器，这解决了困扰科学家多年的一个难题：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。
宇宙线能量分布图上有一个关键转折点，由于其形状酷似人的膝盖，称为“膝”，大约在3 PeV处，能量更高的宇宙线数量急剧减少。近70 年前发现“膝”以来，一直未弄清其成因，只是被猜测为加速源天体加速能力极限所致。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。长期以来这一测量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。这一突破性的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工作能量范围，而“膝”正是产生高能组分的源的加速极限表现。
图2: 宇宙线能谱分布。拉索破解宇宙线高能组分“膝区”形成之谜。
这是历史上首次在观测上将“膝”结构与具体类型的天体——黑洞喷流系统关联起来。质子能谱的复杂结构表明，PeV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，构建起一个完整的科学图景。这不仅为解决困扰学界近70年的“膝区成因”难题迈出关键一步，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。
高海拔宇宙线观测站“拉索”，位于四川稻城海子山，平均海拔4410米，是全世界最灵敏的超高能伽马射线探测装置，于2021全阵列运行。拉索的重大发现开启了“超高能伽马天文学”时代。广州大学作为拉索国际合作单位，于2020年选派两位博士研究生前往海子山基地参与工程建设，并承办了2021年度拉索合作组第一次会议暨工程进展会。目前科学组成员包括樊军辉教授（拉索核心科学委员会成员）、裴致远副教授（拉索用户委员会成员）、刘怡副教授、王洪光教授和Denis Bastieri教授五位研究人员，以及杨文馨、陈国海和欧乐健三位博士/硕士研究生。
文章链接1：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaf496/8322401?searchresult=1
文章链接2：https://arxiv.org/abs/2505.14447
