暗物質粒子探測衛星「悟空」國際合作組4月30日公布最新研究成果。基於衛星數據，「悟空」首次在觀測上直接證實了宇宙射線加速能量極限的電荷依賴規律，並為地球附近存在「超級粒子加速器」提供了關鍵證據。
相關成果29日夜間在線發表於國際學術期刊《自然》。
浩瀚的大氣層外，無時無刻不在下著「粒子雨」。這些以接近光速穿行的高能粒子（如原子核、正負電子等）被統稱為宇宙射線。主流觀點認為，它們通常發源於超新星爆炸遺迹或黑洞吸積等極端宇宙事件，攜帶著重要的天體物理信息。百餘年來，科學家一直試圖弄清它們究竟從哪來、怎麼被加速到如此高的能量。為解開這些謎團，科學家需要測量宇宙射線的能譜，也就是不同能量的粒子數量分布。
a至e為「悟空」測量的質子、氦、碳、氧、鐵核能譜（圖中紅點）和其他實驗結果對比。研究顯示，5種粒子存在統一的能譜「鼓包」結構。（暗物質粒子探測衛星「悟空」國際合作組供圖）
此次，「悟空」國際合作組利用衛星在軌前9年（2016至2024年）的觀測數據，精確測量並繪製出質子、氦、碳、氧和鐵這5種不同宇宙射線粒子的能譜。研究團隊發現：這5種粒子的數量，都在達到某一個特定高能量點時出現步調一致的急劇減少，形成能譜「鼓包」結構。「這就像是高速公路上的汽車，速度達到某個『極限值』後，能加速跑下去的數量突然大幅減少。」暗物質衛星首席科學家、中國科學院院士常進比喻道。
更奇妙的是，「悟空」團隊通過計算髮現，決定這個「極限值」的是粒子所帶的電荷量而非質量。這也在實際觀測中證實了宇宙射線加速能量極限的「電荷依賴特性」。「通俗點說，電荷越大的粒子，能被加速到的能量上限就越高。」暗物質衛星科學應用系統副總師、中國科學院紫金山天文台研究員范一中補充說，「悟空」提供的直接觀測證據印證了20世紀60年代科學界提出的宇宙射線電荷依賴加速理論，為這一經典理論預測提供了實證。
這個發現說明了什麼？衛星科學團隊成員、中國科學院紫金山天文台研究員袁強介紹，「悟空」此次研究表明，在距離地球較近的宇宙空間里，存在著一個天然的「超級粒子加速器」。而「悟空」捕捉到的能譜「鼓包」正對應於這個加速器的「最大馬力」，即加速能力上限。「結合前期宇宙射線方向分布的研究，還可以判定，這個加速源位於遠離銀河系核心的方位。」袁強補充說。
「悟空」於2015年底發射升空，迄今已在軌運行超過10年，記錄了約185億個高能粒子事例。它的核心任務是通過高精度觀測宇宙高能粒子來尋找暗物質存在的證據，同時研究宇宙射線的起源與傳播。與國際同類空間高能粒子探測設備相比，「悟空」具備覆蓋能段寬、能量測量准、粒子甄別能力強等獨特優勢。
「『悟空』探測器目前依然保持著良好的狀態。隨著數據進一步積累，期待它繼續練就『火眼金睛』，為最終揭開暗物質和高能宇宙射線起源的謎團再立新功。」常進說。
來源丨新華社
