視頻｜暗物質衛星“悟空”發布新成果，挑戰“費米加速理論”

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交匯點訊 5月19日，“悟空”號合作組在中國科學院紫金山天文台發布宇宙射線氦核的精確能譜測量最新結果，結果顯示，“悟空”號的測量結果在TeV以上能段的精度顯著提高，氦核能譜和質子能譜體現出非常類似的行為，預示著它們存在共同的起源，這將有助於揭示高能宇宙線的起源以及加速機制。

宇宙射線的前世今生

什麼是高能宇宙射線？中科院高能物理所研究員畢效軍介紹，宇宙線於1912年由奧地利物理學家海斯通過氣球實驗發現。當時，他乘坐熱氣球升到5300米高空中測量高空中的空氣電離率，發現高空中的空氣電離率比地面高兩倍之多。因而，他提出猜想，一定是來自地球外的粒子在轟擊空氣。他的猜想得到證明並於1936年獲得了諾貝爾物理學獎。

“我們賴以生存的地球無時無刻不在經受來自外太空中高能粒子的轟擊，這些粒子包括各種原子核、正負電子、高能伽馬射線和中微子等，它們統稱為宇宙線。”畢效軍說，宇宙線被認為起源於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境和物理規律的信使。

宇宙線領域存在著兩大難題，即起源與加速之謎。宇宙線產生於什麼天體？它們又是如何被加速的？以往的觀測表明宇宙線能譜中存在偏離單一冪率分布的拐折，被戲稱為宇宙線的“膝蓋”和“腳踝”，它們背後又有著怎樣的成因？這些問題很難通過目前的地面實驗直接給出答案，依靠空間測量能力的不斷提升有可能產生新的突破。

“悟空”號取“真經”：最精確的氦核能譜

清楚宇宙高能射線的概念之後，中科院紫金山天文台研究員袁強介紹了此次“悟空”號探測的最新成果。他介紹，人類對宇宙線的觀測和研究已經長達一個世紀，但時至今日，關於宇宙線的起源、加速機制以及它們在宇宙空間中的傳播及相互作用等基本問題仍然沒有得到徹底的解答。

袁強告訴記者，“悟空”號是我國發射的第一顆用於空間高能粒子觀測的衛星，也是中國首顆天文衛星，它從2015年發射至今相繼在電子、質子和氦核宇宙線測量方面取得國際領先的成果，標志著我國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。衛星迄今已穩定運行5年半，目前狀態良好，正不斷積累寶貴的高質量觀測數據。

近日，基於衛星前四年半的在軌觀測數據，“悟空”號國際合作組獲得了宇宙線氦核70GeV至80TeV能段的精確能譜測量結果。氦核和質子是宇宙線中豐度最高的兩種粒子，其數目占宇宙線的約99%，通過探測氦原子核在整個宇宙空間裏的能量分布，科學家們有望理解存在極端的天體物理環境裏的宇宙線究竟是如何運作的。

“悟空”號衛星所進行的實驗，類似於宇宙空間裏的能量“普查”，袁強解釋道，“通過人口普查，我們可以知道社會裏的老年人口、中年人口比例，反映出社會的一些結構性的問題。我們科學家也是在做類似的事情，通過測量宇宙射線的高能粒子和低能粒子數量，我們可以研究宇宙射線裏的一些結構性問題，包括宇宙線如何獲得加速，以及它的源頭是什麼這些宇宙物理學裏的經典問題”。

和以往實驗相比，“悟空”號的實驗覆蓋率和測量精確度顯著提高，在能量測量的分辨率、高能粒子識別能力、探測面積等方面都處於國際領先的水平。正由於“悟空”號對宇宙線的測量結果達到了能量段更寬、精度更高、粒子更純淨的效果，科學家發現了能譜新結構。紫金山天文台馬鵬雄博士特別指出，此次發布的氦核能譜體現出了與質子能譜非常類似的行為，這預示著它們存在共同的起源，它可能來自鄰近地球的某個宇宙線加速源。

重大新成果：“費米加速理論”的對與錯

“悟空”號新取得的重要成果不僅在於在氦核上看到了和質子非常類似的結構，更重要的是，二者能譜拐折的位置近似正比於其電荷，這意味著拐折能量很可能對應著鄰近地球的射線源的加速上限。“悟空”號取得的結果讓我們對宇宙射線的理解向前邁近了一大步。1949年費米提出，宇宙線在銀河系中被加速之後預期應該形成冪律能譜分布。“悟空”號測量的宇宙線能譜與理論中的冪率大致吻合，但是在測量足夠精確的情況下，能譜結果和“費米加速理論”預言的單一冪律分布相比出現了一定偏離，這說明了傳統的“費米加速理論”需要一定程度的修正和更新。

宇宙線的起源和加速，以及它在星系裏的傳播，是“悟空”號實驗致力解決的主要問題之一。盡管目前還無法得出完整的答案，研究者們相信通過多種途徑的探索，能夠逐漸解開這些複雜的、層層耦合的宇宙物理學問題。“開啟了中國空間科學時代，‘悟空’號當之無愧！”雲南大學教授張力評價說，目前有空間、地面的宇宙線實驗在開展，新的觀測成果源源不斷，“希望我國的宇宙線研究能夠取得豐碩成果，推進宇宙線物理的進步。”

“悟空”號目前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。隨著數據的進一步積累和分析的深入，“悟空”號有望取得更多的重要成果，為最終揭開高能宇宙線的起源和加速之謎做出重要的貢獻。

新華日報·交匯點記者 張宣 蔡姝雯 實習生 王哲楷

編輯: 謝詩涵

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