暗物質衞星悟空繪出最精確的高能氦原子核宇宙射線能譜

5月19日，中科院紫金山天文台發佈“悟空”號最新研究成果：獲得氦核宇宙線70 GeV至80 TeV能段的精確能譜測量結果並發現能譜新結構。這是國際上利用空間實驗實現對10 TeV以上能段氦核宇宙線能譜的首次精確測量。而新發現的“先上翹後下降”能譜結構，很可能是由近鄰個別宇宙線源留下的印記。****“悟空”號的結果對揭示高能宇宙線的起源以及加速機制具有十分重要的意義。

我們所生存的地球，時時刻刻都在經受來自外太空中高能粒子的轟擊。各種原子核、正負電子、高能伽馬射線和中微子等，被統稱為宇宙線。宇宙線被認為起源於超新星爆炸的遺蹟或者黑洞吸積等極端天體過程，因此它們也是極端條件下天體環境和物理規律的信使。人類對宇宙線的觀測和研究已經長達一個世紀，但關於宇宙線的起源、加速機制及其在宇宙空間中的傳播及相互作用等基本問題，仍未得到終極解答。

“宇宙線在空間中的能量如何分佈？我們要給它們‘摸家底’，如同人口普查一樣為其繪製能譜，瞭解其性質、結構，以及從低能到高能的具體加速機制。”中科院高能物理研究所研究員畢效軍介紹，宇宙線的數目隨着能量變化的關係稱為能譜，藴含有豐富的關於宇宙線的物理信息。

2015年12月，我國發射的第一顆用於空間高能粒子觀測的衞星“悟空”號，它的主要使命是間接探測暗物質粒子並研究宇宙線物理。和國際上其它類似探測設備相比，“悟空”號覆蓋能段寬、能量測量準、粒子鑑別強，在高能正負電子和核素宇宙線的觀測方面居於國際前列。

“悟空”號合作團隊成員、中科院紫金山天文台研究員袁強介紹，質子和氦核是宇宙線中丰度最高的兩種粒子，其數量約佔宇宙線的99%。“悟空”號探測器具有優異的電荷分辨本領，可以對高能宇宙線質子和氦核進行有效鑑別，進而分別實現對質子和氦核能譜的精確測量。

精確測量宇宙線的能譜，是“悟空”號研究宇宙線物理的核心任務。傳統宇宙射線加速和傳播模型認為，隨着能量升高，宇宙線粒子數目急劇減少，體現出隨能量的負冪律函數依賴關係。

圖為“悟空”號測量得到的40GeV-100TeV能段質子宇宙線能譜（左圖紅點）和70GeV-80TeV能段氦核宇宙線能譜（右圖紅點）

袁強介紹，2019年，合作團隊根據“悟空”號收集的前兩年半的數據，獲得了從40 GeV到100 TeV能段的質子宇宙線精確能譜（如左圖所示），揭示出在寬能段範圍內質子能譜明顯偏離理論預期的冪律能譜的行為特徵。特別是在能量約14 TeV處的能譜拐折結構，系由“悟空”號首次以高置信度觀測到。

近日，基於衞星前四年半的在軌觀測數據，“悟空”號合作組獲得了氦核宇宙線從70 GeV至80 TeV能段的精確能譜測量結果（如右圖所示）。氦核能譜和質子能譜體現出非常類似的行為，預示着它們存在共同的起源。“悟空”號質子和氦核結果還表明二者能譜拐折的位置近似正比於其電荷。這一新的拐折結構及其電荷依賴的特性預示着它們可能來自鄰近地球的某個宇宙線加速源，拐折能量對應於該源的加速上限。

“首先，質子和氦核能譜在超高能段呈現出類似的結構，二者互相印證，説明我們對宇宙線的瞭解在不斷加深；其次，折拐結構的能量與粒子電荷成正比關係，為鄰近加速源的假設又增添了砝碼。”“悟空”號合作團隊成員、中科院紫金山天文台博士馬鵬雄表示，新發現對傳統的宇宙射線加速和傳播模型提出了挑戰。

記者瞭解到，“悟空”號相繼在正負電子、質子和氦核宇宙線測量方面獲得國際領先成果，標誌着我國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。目前，“悟空”號已進入二次延壽運行階段，探測器狀態良好，仍在不斷積累高質量觀測數據。隨着數據的進一步積累和分析的深入，“悟空”號有望取得更多成果，為最終揭開高能宇宙線的起源和加速之謎，以及更好地瞭解我們所生存的地球家園，做出更多重要貢獻。