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5月19日，中科院紫金山天文臺發(fā)布“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(jié)果并發(fā)現(xiàn)能譜新結(jié)構(gòu)。這是國際上利用空間實驗實現(xiàn)對10 TeV以上能段氦核宇宙線能譜的首次精確測量。而新發(fā)現(xiàn)的“先上翹后下降”能譜結(jié)構(gòu)，很可能是由近鄰個別宇宙線源留下的印記。“悟空”號的結(jié)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(jīng)受來自外太空中高能粒子的轟擊。各種原子核、正負(fù)電子、高能伽馬射線和中微子等，被統(tǒng)稱為宇宙線。宇宙線被認(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。人類對宇宙線的觀測和研究已經(jīng)長達一個世紀(jì)，但關(guān)于宇宙線的起源、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制?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芯繂T畢效軍介紹，宇宙線的數(shù)目隨著能量變化的關(guān)系稱為能譜，蘊含有豐富的關(guān)于宇宙線的物理信息。

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

“悟空”號合作團隊成員、中科院紫金山天文臺研究員袁強介紹，質(zhì)子和氦核是宇宙線中豐度最高的兩種粒子，其數(shù)量約占宇宙線的99%。“悟空”號探測器具有優(yōu)異的電荷分辨本領(lǐng)，可以對高能宇宙線質(zhì)子和氦核進行有效鑒別，進而分別實現(xiàn)對質(zhì)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(wù)。傳統(tǒng)宇宙射線加速和傳播模型認(rèn)為，隨著能量升高，宇宙線粒子數(shù)目急劇減少，體現(xiàn)出隨能量的負(fù)冪律函數(shù)依賴關(guān)系。

圖為“悟空”號測量得到的40GeV-100TeV能段質(zhì)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(jù)“悟空”號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”號首次以高置信度觀測到。

近日，基于衛(wèi)星前四年半的在軌觀測數(shù)據(jù)，“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(jié)果（如右圖所示）。氦核能譜和質(zhì)子能譜體現(xiàn)出非常類似的行為，預(yù)示著它們存在共同的起源?！拔蚩铡碧栙|(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)及其電荷依賴的特性預(yù)示著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(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)出類似的結(jié)構(gòu)，二者互相印證，說明我們對宇宙線的了解在不斷加深；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?！薄拔蚩铡碧柡献鲌F隊成員、中科院紫金山天文臺博士馬鵬雄表示，新發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)的宇宙射線加速和傳播模型提出了挑戰(zhàn)。

記者了解到，“悟空”號相繼在正負(fù)電子、質(zhì)子和氦核宇宙線測量方面獲得國際領(lǐng)先成果，標(biāo)志著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(tài)良好，仍在不斷積累高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)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，以及更好地了解我們所生存的地球家園，做出更多重要貢獻。