文章导读
你是否想过，银河系中那些吞噬恒星的黑洞，竟是宇宙最狂暴的粒子加速器？南京大学团队利用高海拔宇宙线观测站“拉索”，首次在五个恒星级黑洞系统中捕捉到百万亿电子伏特以上的伽马射线，最高能量逼近1PeV——这正是宇宙“膝区”高能粒子的神秘源头！更惊人的是，在SS 433系统中，超高能辐射竟与一团巨分子云精准重合，揭示黑洞不仅能加速电子，更可将质子推至极端能量。这项发表于《National Science Review》的突破性研究，或将彻底改写宇宙线起源的教科书。
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由恒星质量黑洞与伴星构成的强引力系统，当黑洞吞噬伴星物质时，能够以喷流的形式释放巨大能量，这种黑洞-喷流系统也被称为微类星体。我国重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站（LHAASO，中文简称“拉索”）在银河系内多个黑洞X射线双星周边首次探测到能量高达百万亿电子伏特（=1014eV或100TeV）之上的超高能伽马射线辐射，包括SS 433、V4641 Sgr、GRS 1915+105、Cygnus X-1与MAXI J1820+070等五个天体。
拉索的观测显示，黑洞-喷流系统的伽马射线能谱延伸至数百TeV甚至接近PeV，表明该系统是极端高效的粒子加速器。尤其值得注意的是，微类星体SS 433的辐射形态在100TeV之下与X射线波段观测到的形态吻合，表明其源于喷流与黑洞东西两侧的星际介质相互作用产生的瓣状结构加速的电子；而在100TeV之上，辐射形态产生了变化，在南北方向产生了延展，并与黑洞周边一团由原子氢组成的大质量云团位置重合（图1），强烈暗示SS 433的超高能伽马射线起源于由该系统加速的PeV质子与物质的强相互作用。而拉索对SS 433的能谱测量也显示出电子辐射与质子辐射共存的迹象（图2）。对另一颗微类星体V4641 Sgr，拉索探测到的最高能量光子达0.8 PeV的光子，且在其能谱上未见明显的截断，明确表明该天体可以把粒子加速到至少1PeV。
宇宙线是来自地外的高能带电粒子，主要成分是质子。长期以来，银河系内公认的主要宇宙线起源天体是超新星遗迹，但近年来无论是观测还是理论研究结果都质疑了它们加速PeV质子的能力。拉索系统性地发现5个微类星体的超高能伽马射线辐射，表明微类星体是银河系中一类新的PeV质子加速器，极可能是“膝区”宇宙线的主要来源，为理解宇宙线起源的物理图景补上了一块重要的拼图。
图 1 拉索测量到的SS 433区域伽马射线显著性天图。左图：1-25TeV；中图：25-100TeV；右图：100TeV以上。图中青色十字代表黑洞的位置，青色的等高线为X射线瓣状结构，产生于黑洞双侧喷流与星际介质的相互作用。右图中白色等高线代表与SS 433相近距离上的原子云柱密度分布。
图 2拉索测量到的SS 433区域伽马射线能谱（黑色数据点）。红色实线代表基于电子逆康普顿辐射模型对能谱数据的最佳拟合值，红色带状区域显示了最佳拟合的误差范围。红色虚线代表将最大电子加速能量降低至一个较合理的数值后的理论预期能谱。蓝色实线代表基于质子的强子辐射模型的理论预期能谱。黑色实线代表红色虚线与蓝色实线之和。
该项研究工作于2025年11月16日在《National Science Review》期刊发表，题为“Ultrahigh-energy gamma-ray emission associated with black hole-jet systems” 。论文通讯作者包括南京大学天文与空间科学学院柳若愚研究员、中国科学技术大学李剑教授、南京大学天文与空间科学学院汪凯博士、中国科学技术大学杨睿智教授、中国科学技术大学于艳红博士、中科院高能物理研究所陈松战研究员和中科院高能物理研究所胡世聪博士。南京大学的高能天体物理团队为论文的完成作出重要贡献。柳若愚研究员协调了研究工作的开展，设计了研究方案，并负责了数据的理论解释。汪凯博士完成了12个目标源中7个的数据分析工作。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf496
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