5月19日，中科院紫金山天文臺(tái)發(fā)布“悟空”號(hào)最新研究成果：獲得氦核宇宙線(xiàn)70 GeV至80 TeV能段的精確能譜測(cè)量結(jié)果并發(fā)現(xiàn)能譜新結(jié)構(gòu)。這是國(guó)際上利用空間實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)10 TeV以上能段氦核宇宙線(xiàn)能譜的首次精確測(cè)量。而新發(fā)現(xiàn)的“先上翹后下降”能譜結(jié)構(gòu)，很可能是由近鄰個(gè)別宇宙線(xiàn)源留下的印記。“悟空”號(hào)的結(jié)果對(duì)揭示高能宇宙線(xiàn)的起源以及加速機(jī)制具有十分重要的意義。

我們所生存的地球，時(shí)時(shí)刻刻都在經(jīng)受來(lái)自外太空中高能粒子的轟擊。各種原子核、正負(fù)電子、高能伽馬射線(xiàn)和中微子等，被統(tǒng)稱(chēng)為宇宙線(xiàn)。宇宙線(xiàn)被認(rèn)為起源于超新星爆炸的遺跡或者黑洞吸積等極端天體過(guò)程，因此它們也是極端條件下天體環(huán)境和物理規(guī)律的信使。人類(lèi)對(duì)宇宙線(xiàn)的觀測(cè)和研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)，但關(guān)于宇宙線(xiàn)的起源、加速機(jī)制及其在宇宙空間中的傳播及相互作用等基本問(wèn)題，仍未得到終極解答。

“宇宙線(xiàn)在空間中的能量如何分布？我們要給它們‘摸家底’，如同人口普查一樣為其繪制能譜，了解其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)，以及從低能到高能的具體加速機(jī)制。”中科院高能物理研究所研究員畢效軍介紹，宇宙線(xiàn)的數(shù)目隨著能量變化的關(guān)系稱(chēng)為能譜，蘊(yùn)含有豐富的關(guān)于宇宙線(xiàn)的物理信息。

2015年12月，我國(guó)發(fā)射的第一顆用于空間高能粒子觀測(cè)的衛(wèi)星“悟空”號(hào)，它的主要使命是間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子并研究宇宙線(xiàn)物理。和國(guó)際上其它類(lèi)似探測(cè)設(shè)備相比，“悟空”號(hào)覆蓋能段寬、能量測(cè)量準(zhǔn)、粒子鑒別強(qiáng)，在高能正負(fù)電子和核素宇宙線(xiàn)的觀測(cè)方面居于國(guó)際前列。

“悟空”號(hào)合作團(tuán)隊(duì)成員、中科院紫金山天文臺(tái)研究員袁強(qiáng)介紹，質(zhì)子和氦核是宇宙線(xiàn)中豐度最高的兩種粒子，其數(shù)量約占宇宙線(xiàn)的99%?！拔蚩铡碧?hào)探測(cè)器具有優(yōu)異的電荷分辨本領(lǐng)，可以對(duì)高能宇宙線(xiàn)質(zhì)子和氦核進(jìn)行有效鑒別，進(jìn)而分別實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)子和氦核能譜的精確測(cè)量。

精確測(cè)量宇宙線(xiàn)的能譜，是“悟空”號(hào)研究宇宙線(xiàn)物理的核心任務(wù)。傳統(tǒng)宇宙射線(xiàn)加速和傳播模型認(rèn)為，隨著能量升高，宇宙線(xiàn)粒子數(shù)目急劇減少，體現(xiàn)出隨能量的負(fù)冪律函數(shù)依賴(lài)關(guān)系。

圖為“悟空”號(hào)測(cè)量得到的40GeV-100TeV能段質(zhì)子宇宙線(xiàn)能譜（左圖紅點(diǎn)）和70GeV-80TeV能段氦核宇宙線(xiàn)能譜（右圖紅點(diǎn)）

袁強(qiáng)介紹，2019年，合作團(tuán)隊(duì)根據(jù)“悟空”號(hào)收集的前兩年半的數(shù)據(jù)，獲得了從40 GeV到100 TeV能段的質(zhì)子宇宙線(xiàn)精確能譜（如左圖所示），揭示出在寬能段范圍內(nèi)質(zhì)子能譜明顯偏離理論預(yù)期的冪律能譜的行為特征。特別是在能量約14 TeV處的能譜拐折結(jié)構(gòu)，系由“悟空”號(hào)首次以高置信度觀測(cè)到。

近日，基于衛(wèi)星前四年半的在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)，“悟空”號(hào)合作組獲得了氦核宇宙線(xiàn)從70 GeV至80 TeV能段的精確能譜測(cè)量結(jié)果（如右圖所示）。氦核能譜和質(zhì)子能譜體現(xiàn)出非常類(lèi)似的行為，預(yù)示著它們存在共同的起源。“悟空”號(hào)質(zhì)子和氦核結(jié)果還表明二者能譜拐折的位置近似正比于其電荷。這一新的拐折結(jié)構(gòu)及其電荷依賴(lài)的特性預(yù)示著它們可能來(lái)自鄰近地球的某個(gè)宇宙線(xiàn)加速源，拐折能量對(duì)應(yīng)于該源的加速上限。

“首先，質(zhì)子和氦核能譜在超高能段呈現(xiàn)出類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，二者互相印證，說(shuō)明我們對(duì)宇宙線(xiàn)的了解在不斷加深；其次，折拐結(jié)構(gòu)的能量與粒子電荷成正比關(guān)系，為鄰近加速源的假設(shè)又增添了砝碼?！薄拔蚩铡碧?hào)合作團(tuán)隊(duì)成員、中科院紫金山天文臺(tái)博士馬鵬雄表示，新發(fā)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)的宇宙射線(xiàn)加速和傳播模型提出了挑戰(zhàn)。

記者了解到，“悟空”號(hào)相繼在正負(fù)電子、質(zhì)子和氦核宇宙線(xiàn)測(cè)量方面獲得國(guó)際領(lǐng)先成果，標(biāo)志著我國(guó)的空間高能粒子探測(cè)研究已躋身世界最前列。目前，“悟空”號(hào)已進(jìn)入二次延壽運(yùn)行階段，探測(cè)器狀態(tài)良好，仍在不斷積累高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累和分析的深入，“悟空”號(hào)有望取得更多成果，為最終揭開(kāi)高能宇宙線(xiàn)的起源和加速之謎，以及更好地了解我們所生存的地球家園，做出更多重要貢獻(xiàn)。