“拉索”又有新发现，破解了困扰科学家近70年的一个难题——
宇宙线“膝”如何形成？ 原来幕后推手是黑洞
一分钟读懂宇宙线“膝”
□四川日报全媒体记者 高杲
在宇宙线的能谱上，有一个关键转折点，大约在3千万亿电子伏处，宇宙线的数量会急剧减少。这个拐点因为形状酷似人的膝盖，被形象地称为“膝”
要弄清楚“膝”结构形成的原因，需要精确测量宇宙线中不同单元素成分的能谱及其“膝”结构。学界猜测，“膝”的形成，可能是因为宇宙线源加速能力存在上限，从而导致宇宙线能谱上限处发生拐折
依靠“拉索”，科学家不仅完成了对“膝”区质子能谱的精确刻画，还首次发现了超出预期的高能组分能谱结构。能谱的复杂结构表明，“膝”并非简单转折，而是出现了“膝盖”一样的“鼓包”
“拉索”对北半球的微类星体进行了搜寻，首次系统性探测到5个微类星体的超高能伽马射线。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
研究成果表明，银河系内存在多种类的宇宙线源，黑洞是最有可能的宇宙线源之一，把宇宙线加速到“膝”以上的，是黑洞吸积驱动的微类星体
11月16日，位于甘孜州稻城县的高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）发布两项科学成果：一是以前所未有的精细度，测量了宇宙线质子的能谱；二是推动将微类星体视为“膝”区宇宙线可靠加速源的研究。
两项成果破解了一个困扰科学家近70年的难题：此前，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。此次成果认为，银河系内存在多种类的宇宙线源，黑洞是最有可能的宇宙线源之一，把宇宙线加速到“膝”以上的，是黑洞吸积驱动的微类星体。
为何要研究“膝”？
深刻关联着宇宙线的来源和旅行方式
什么是宇宙线？宇宙线是来自外太空的带电粒子，主要成分为各种原子核，被称为传递宇宙大事件的“信使”。但宇宙线尤其是高能、超高能宇宙线的起源一直是待解之谜。
在宇宙线的能谱（宇宙线数量在粒子能量上的分布）上，有一个关键转折点，大约在3千万亿电子伏处，宇宙线的数量会急剧减少。这个拐点因为形状酷似人的膝盖，被形象地称为“膝”。宇宙线能谱“膝”结构，深刻关联着宇宙线的来源和它们在宇宙空间中的旅行方式。
虽然早在上世纪50年代末，科学家们就发现了“膝”，但在此后近70年，关于“膝”结构形成的原因，一直悬而未解。
“拉索”首席科学家、中国科学院院士曹臻介绍，想要弄清楚这一问题，需要精确测量宇宙线中不同单元素成分的能谱及其“膝”结构。然而，当宇宙线能量攀升至“膝”区高度时，宇宙线粒子的数量变得稀少，空间探测器受限于有效探测面积，对“膝”区宇宙线探测如同大海捞针；地面探测器面临大气层干扰难题，难以从众多的宇宙线混合成分中有效分离出质子信号。
因此，宇宙线质子“膝”的测量，一直被公认是不可能完成的任务。学界猜测，“膝”的形成，可能是因为宇宙线源加速能力存在上限，从而导致宇宙线能谱上限处发生拐折。
研究有何成果？
将微类星体确立为重要的拍电子伏宇宙线源
“拉索”正在破解这一难题。它坐落于海拔4400米海子山上，部署了面积超过一平方公里的探测器阵列，其中包括5216台闪烁体探测器和1188台埋在地下的水切伦科夫探测器。这些探测器像一双双敏锐的眼睛，能捕捉到从宇宙深处飞来的宇宙线信号。
“依靠‘拉索’，我们不仅完成了对‘膝’区质子能谱的精确刻画，还首次发现了超出预期的高能组分能谱结构。”曹臻说，以前的观点认为“膝”是一个简单的转折，即从一条“直线”拐到更陡的“直线”。现在，能谱的复杂结构表明，“膝”并非简单转折，而是出现了“膝盖”一样的“鼓包”，这个鼓包的出现，意味着可能有新成分出现。
此前，银河系内公认的宇宙线源是超新星遗迹，但并无证据表明它们是“膝”区宇宙线的源，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。美国威斯康星大学麦迪逊分校讲席教授弗朗西斯·哈尔岑认为，这项研究揭示了银河系内可能存在多种类的宇宙线源。
谁“制造”了这些能量极高的宇宙线质子？答案是黑洞。
“以前，我们认为黑洞要吞噬伴星等物质，但现在发现它还会以喷流的形式将物质吐出来，这个系统就是微类星体。”曹臻说，“拉索”对北半球的微类星体进行了搜寻，首次系统性探测到5个微类星体的超高能伽马射线。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。“这表明，银河系里存在多种‘粒子加速器’。微类星体具有明显高于超新星遗迹的加速极限，能达到‘膝’的能量门槛，成为高能宇宙线的新来源。”
在业内看来，“拉索”此次新发现，不仅破解了困扰学界多年的宇宙线“膝”形成之谜，也为理解黑洞系统的极端物理过程开辟一条新的途径。
西班牙巴塞罗那大学教授、著名高能天体物理学家何塞普·马里亚·帕雷德斯表示，这些成果将微类星体确立为重要的拍（千万亿）电子伏宇宙线源，并为了解黑洞核心或喷流中的加速过程提供了珍贵的线索，标志着银河系高能天体物理研究开启了新纪元。
对于未来，曹臻信心更足。他打了一个比方，以前的测量，就像把黑瓜子、白瓜子混在一起，只能看出个大概，“拉索”将这些不同颜色、不同大小的瓜子清晰地分开，让我们能精准地挑出其中一种进行单独研究，这将构建起一个从微观粒子到宏观天体的完整科学图景。