4月29日，《自然》杂志在线发表我国“悟空”号暗物质粒子探测卫星（DAMPE）最新研究成果。该研究观测到多种核素宇宙射线能谱存在电荷依赖的统一拐折，并发现宇宙射线加速能量极限的电荷依赖规律，为揭开宇宙射线起源之谜提供了重要线索。
宇宙空间存在着大量以接近光速穿行的高能粒子流，这些粒子包括各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等，统称为宇宙射线。宇宙射线被认为起源于超新星爆炸的遗迹、高速旋转的中子星、吸积黑洞等极端天体，因此是研究极端条件下天体环境和物理规律的信使。人类对宇宙射线的研究已持续一个多世纪，但关于宇宙射线的起源、加速机制以及它们在宇宙空间中的传播和相互作用等基本问题仍然没有确切的答案。
表示粒子数目随能量分布关系的宇宙射线能谱中蕴含着丰富的物理信息。随着能量升高，粒子数目急剧减少。精确测量宇宙射线中各种组分粒子的能谱，是研究宇宙射线物理的核心任务，也是揭示其起源这一重大科学问题的关键途径。
由常进院士领衔研发的“悟空”号暗物质粒子探测卫星是中国科学院空间科学先导专项首发星，也是我国首颗空间天文卫星，主要通过高精度观测宇宙高能粒子和辐射来研究宇宙射线的起源和传播，并间接探测暗物质粒子。该卫星于2015年底发射，尽管设计寿命只有3年，但迄今已在轨平稳运行超过10年，记录了约185亿个高能粒子事例。与国际同类空间高能粒子探测设备相比，“悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、粒子甄别能力强，在万亿至千万亿电子伏特能区具有独到的优势。
基于“悟空”号卫星前9年的观测数据，研究团队精确测得了质子、氦、碳、氧和铁等5种丰度最高的宇宙射线粒子在超宽能段内的能谱，首次直接探测到它们在高能段存在共同且显著的“鼓包”状结构（图1）。其中碳、氧和铁的最高有效测量能量较以往提升近10倍，这是上述高能段能谱新特征得以被发现的关键。研究结果同时表明，能谱“鼓包”结构出现的位置与粒子电荷成正比，并以超过99.999%的置信水平排除了与粒子质量成正比的模型（图2）。
结合宇宙射线大尺度各向异性观测进行综合分析，“悟空”号的这一最新结果表明：存在一个近邻的宇宙射线加速源，多种粒子能谱的统一“鼓包”结构对应的是该源的加速能力上限（图3）。这意味着宇宙射线源加速粒子的能量上限与电荷成正比。1961年丹麦物理学家Bernard Peters率先指出磁场约束环境中的粒子加速应遵循这一关系，后被称为Peters 循环，这奠定了后续所有电荷依赖模型的基础。但长期以来，这一关系并没有在实验上获得验证，主要原因是对不同类别宇宙射线能谱的测量精度不够高、能段覆盖范围不够宽，而且高能宇宙射线流量低，需要比以往更大面积的空间探测器。“悟空”号凭借优异的电荷分辨能力、极宽的能量测量范围以及大探测面积，为研究这一问题提供了关键保障。“悟空”号这一最新结果首次对六十余年前提出的宇宙射线电荷依赖加速模型给出直接观测证据，对揭开宇宙射线起源之谜有重要意义。
目前，“悟空”号探测器状态良好，仍将持续在轨运行并不断积累更多高质量数据。随着数据的进一步积累和分析的深入，有望取得更多重要成果，为最终揭开高能宇宙射线的起源和加速之谜作出重要贡献。
此项研究由中国科学院紫金山天文台、中国科学技术大学、中国科学院近代物理研究所、中国科学院高能物理研究所以及瑞士、意大利的多家研究机构共同完成。该研究得到了国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、中国科学院以及新基石基金等项目的支持。
（中国日报江苏记者站 记者：苍微）
来源：中国日报网
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