黑洞或是銀河系神秘高能宇宙射線之源
Black holes may be source of Milky Way’s mysterious high-energy cosmic rays
19 NOV 2025 11:00 AM ETBYDENNIS NORMILE
f t數十年來，天文學家一直思索宇宙射線的起源之謎，這些帶電粒子有時以超過拍電子伏特（PeV）的能量撞擊地球，這比物理學家最強大的原子粉碎機所產生的能量還高。它們暗示了存在劇烈的宇宙加速器，這些加速器被戲稱為「拍電子伏特加速器」，能將粒子加速到極高能量。天文學家爭論銀河系是否能容納拍電子伏特加速器，或者它們只可能在遙遠的星系中出現。
現在，來自五個國家的三百多位科學家組成的國際團隊，根據中國科學院高能物理研究所運營的「高海拔宇宙線觀測站」（LHAASO）的觀測結果，報告了銀河系最高能量宇宙射線的可能來源。他們已將與這些宇宙射線相關的光線追溯至銀河系中五個已知的微類星體——這些恆星質量的黑洞從伴星吸收物質並將其加速到高能量。
哥倫比亞大學天文物理學家卡亞·莫里表示：「LHAASO的發現是革命性的，因為它將為『拍電子伏特宇宙射線從何而來』這一基本問題提供新見解。」莫里未參與這項於十一月十六日發表在兩項研究中的新LHAASO研究。
建於海拔四千四百一十公尺的青藏高原上的LHAASO，通過接收宇宙射線撞擊地球大氣層時產生的殘餘物來觀測宇宙射線。當宇宙射線與空氣分子碰撞時，會產生次級粒子級聯。科學家利用這些粒子陣雨來推斷宇宙射線的流量及其能量和入射方向。
該觀測站使用三種類型的粒子探測器，分布在一點四平方公里的區域內。其中一種捕捉粒子穿過大氣層時產生的名為切倫科夫輻射的藍色閃光。另一種在五公尺深的水池中尋找切倫科夫光。第三種由超過五千二百個地面塑膠閃爍探測器組成，當帶電粒子撞擊時會發光。
LHAASO和其他類似探測器已探測到能量範圍廣泛的宇宙射線。低能量宇宙射線，到目前為止最常見的，據推測來自銀河系中較小的加速器，例如被稱為脈衝星的旋轉死星、被稱為超新星的恆星爆炸衝擊波，甚至恆星育嬰室中恆星形成產生的風。
在光譜的另一端，是能量高達數百甚至數千拍電子伏特的稀有宇宙射線。這些據認為來自銀河系之外——可能來自伽馬射線爆發，宇宙中最高能量的事件，或來自類星體，即星系中心明亮的超大質量黑洞。
如果這些宇宙射線都來自同一來源和加速機制，人們會預期在觀測到的宇宙射線流量與其能量的圖表上呈現平滑曲線。但研究人員卻看到一個「膝點」或斜率變化，這表明必須有超過一種機制或來源在運作。「起初，人們認為膝點可能代表銀河系內外來源的分界線。」LHAASO首席科學家曹臻表示。
然而，LHAASO的海量數據顯示，膝點並非銀河系內外來源之間的簡單轉折點。在《科學通報》發表的第一篇論文中，LHAASO團隊觀察到膝點附近的光譜凸起，這表明存在一個能量約為三拍電子伏特的新宇宙射線來源，這是先前已知加速器無法達到的水平，曹臻表示。
識別可能的新加速器是第二篇論文的主題。由於銀河系和星際磁場會擾亂宇宙射線的路徑，LHAASO研究人員無法簡單地將它們追溯到來源。相反，他們利用LHAASO的第二項能力：捕捉與高能量光（稱為伽馬射線）相關的空氣簇射，這些伽馬射線也來自遙遠的災變事件。
一些黑洞附近發生的過程產生的伽馬射線，能量約為宇宙射線的十分之一。由於它們不帶電荷，伽馬射線不受磁場影響——這意味著它們以直線傳播至地球，提高了追溯其起源的可能性。
然而，伽馬射線光子無法穿透地球大氣層，因此與宇宙射線一樣，必須通過它們產生的粒子簇射來推斷撞擊。為了幫助區分伽馬射線簇射和宇宙射線簇射，LHAASO配備了第四種儀器：一千一百七十個埋入地下的探測器，用於監測稱為緲子的粒子，這些粒子在宇宙射線簇射中豐富，但在伽馬射線產生的簇射中罕見。
根據發表在《國家科學評論》上的第二篇論文，為了定位這些新來源，合作團隊將能量接近或超過一百太電子伏特的伽馬射線束追溯至銀河系中五個貪婪吸積的黑洞。曹臻表示，識別這些微類星體解決了「哪類來源群體能夠提供膝點以上宇宙射線」的基本問題。
這些結果解答了一些問題，但也提出了新問題。阿姆斯特丹大學天文物理學家勞拉·奧利韋拉-涅托表示，要確立拍電子伏特加速器的稱號，研究人員需要「了解它們的特殊之處，並知道多少比例的微類星體實際上能達到如此高的粒子能量」。她還希望看到更多研究來確認黑洞附近伽馬射線的產生方式。
巴塞隆納大學天文物理學家約瑟普·帕雷德斯表示，研究附近微類星體也可能幫助研究人員了解類星體的加速機制，類星體是它們更大、更遙遠的親戚。「微類星體模擬類星體，對研究人員來說，研究微類星體更容易。」
但科學家們才剛開始解開這些黑洞的秘密，南京大學天文物理學家、第二篇論文的通訊作者劉若愚表示。「我們距離理解微類星體系統中的粒子加速過程還很遠。」