暗物质粒子探测卫星“悟空”国际合作组4月30日公布最新研究成果。基于卫星数据，“悟空”首次在观测上直接证实了宇宙射线加速能量极限的电荷依赖规律，并为地球附近存在“超级粒子加速器”提供了关键证据。
相关成果29日夜间在线发表于国际学术期刊《自然》。
浩瀚的大气层外，无时无刻不在下着“粒子雨”。这些以接近光速穿行的高能粒子（如原子核、正负电子等）被统称为宇宙射线。主流观点认为，它们通常发源于超新星爆炸遗迹或黑洞吸积等极端宇宙事件，携带着重要的天体物理信息。百余年来，科学家一直试图弄清它们究竟从哪来、怎么被加速到如此高的能量。为解开这些谜团，科学家需要测量宇宙射线的能谱，也就是不同能量的粒子数量分布。
a至e为“悟空”测量的质子、氦、碳、氧、铁核能谱（图中红点）和其他实验结果对比。研究显示，5种粒子存在统一的能谱“鼓包”结构。（暗物质粒子探测卫星“悟空”国际合作组供图）
此次，“悟空”国际合作组利用卫星在轨前9年（2016至2024年）的观测数据，精确测量并绘制出质子、氦、碳、氧和铁这5种不同宇宙射线粒子的能谱。研究团队发现：这5种粒子的数量，都在达到某一个特定高能量点时出现步调一致的急剧减少，形成能谱“鼓包”结构。“这就像是高速公路上的汽车，速度达到某个‘极限值’后，能加速跑下去的数量突然大幅减少。”暗物质卫星首席科学家、中国科学院院士常进比喻道。
更奇妙的是，“悟空”团队通过计算发现，决定这个“极限值”的是粒子所带的电荷量而非质量。这也在实际观测中证实了宇宙射线加速能量极限的“电荷依赖特性”。“通俗点说，电荷越大的粒子，能被加速到的能量上限就越高。”暗物质卫星科学应用系统副总师、中国科学院紫金山天文台研究员范一中补充说，“悟空”提供的直接观测证据印证了20世纪60年代科学界提出的宇宙射线电荷依赖加速理论，为这一经典理论预测提供了实证。
这个发现说明了什么？卫星科学团队成员、中国科学院紫金山天文台研究员袁强介绍，“悟空”此次研究表明，在距离地球较近的宇宙空间里，存在着一个天然的“超级粒子加速器”。而“悟空”捕捉到的能谱“鼓包”正对应于这个加速器的“最大马力”，即加速能力上限。“结合前期宇宙射线方向分布的研究，还可以判定，这个加速源位于远离银河系核心的方位。”袁强补充说。
“悟空”于2015年底发射升空，迄今已在轨运行超过10年，记录了约185亿个高能粒子事例。它的核心任务是通过高精度观测宇宙高能粒子来寻找暗物质存在的证据，同时研究宇宙射线的起源与传播。与国际同类空间高能粒子探测设备相比，“悟空”具备覆盖能段宽、能量测量准、粒子甄别能力强等独特优势。
“‘悟空’探测器目前依然保持着良好的状态。随着数据进一步积累，期待它继续练就‘火眼金睛’，为最终揭开暗物质和高能宇宙射线起源的谜团再立新功。”常进说。
策划：孙闻
记者：王珏玢
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