我們賴(lài)以生存的地球無(wú)時(shí)無(wú)刻不在經(jīng)受來(lái)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(xiàn)和中微子等，它們統稱(chēng)為宇宙線(xiàn)。人類(lèi)對宇宙線(xiàn)的觀(guān)測和研究已經(jīng)長(cháng)達一個(gè)世紀。宇宙線(xiàn)曾經(jīng)對基本粒子物理學(xué)科起到了非常重要的作用，人們從宇宙線(xiàn)中發(fā)現了一大批新粒子。宇宙線(xiàn)和物質(zhì)的相互作用就像天然的對撞機，而其能量可以遠遠高于人造加速器的能量，給我們提供了豐富的關(guān)于物質(zhì)基本結構及其相互作用規律的知識。宇宙線(xiàn)同時(shí)攜帶了宇宙中極端天體現象和環(huán)境的信息，對相關(guān)天體物理研究也意義重大。但時(shí)至今日，關(guān)于宇宙線(xiàn)的起源、加速機制以及它們在星際空間和星系際空間中的傳播及相互作用等基本問(wèn)題依然沒(méi)有得到徹底的解答。
質(zhì)子是宇宙線(xiàn)中豐度最高的粒子，占比約90%。對質(zhì)子能譜的精確測量有助于理解宇宙線(xiàn)物理的基本問(wèn)題。事實(shí)上，由于巨大的技術(shù)挑戰，宇宙線(xiàn)的直接觀(guān)測長(cháng)期以來(lái)進(jìn)展緩慢，而且測量誤差很大，直到本世紀才陸續取得突破，并對傳統理論模型帶來(lái)挑戰。例如，經(jīng)典的宇宙線(xiàn)加速和傳播模型預測宇宙線(xiàn)能譜應服從冪律分布。然而近些年的直接觀(guān)測實(shí)驗（如氣球實(shí)驗ATIC、CREAM和空間實(shí)驗PAMELA、AMS-02、CALET）發(fā)現質(zhì)子能譜在數百GeV能量處出現拐折（能譜變硬，即高能粒子數目比按照單一冪律能譜外推顯得更多），偏離單一冪律分布。經(jīng)典理論模型不能解釋該現象，理論家提出了多種模型來(lái)理解該能譜拐折的成因，區分這些模型急需更高能段的更加精確的能譜觀(guān)測。其中一個(gè)核心的問(wèn)題即在數百GeV至數百TeV能區中是否存在新的能譜結構。但是在TeV及更高能段，前述實(shí)驗因測量手段以及測量精度的限制無(wú)法給出準確的探測結果，從而也無(wú)法對物理模型予以甄別。
圖 1 “悟空”號電荷譜（左）和CALET探測器電荷譜（右）
我國于2015年底發(fā)射的首顆天文衛星“悟空”號的核心科學(xué)目標之一就是對宇宙線(xiàn)質(zhì)子以及核素能譜進(jìn)行精確測量，發(fā)現或排除新的能譜結構。與采用同類(lèi)型探測器技術(shù)的國際空間站CALET實(shí)驗相比，悟空號在統計量和電荷分辨能力上都更具有優(yōu)勢（見(jiàn)圖1）。
北京時(shí)間2019年9月28日，基于其收集到的前兩年半數據，“悟空”號國際合作組在Science Advances雜志發(fā)表了從40 GeV到100 TeV能段的宇宙線(xiàn)質(zhì)子精確能譜測量結果，如圖2所示。這是國際上首次利用空間實(shí)驗實(shí)現對高達100 TeV的宇宙線(xiàn)質(zhì)子能譜的精確測量，該能量上限比丁肇中先生領(lǐng)導的阿爾法磁譜儀（AMS-02）實(shí)驗高出約50倍，比日本科學(xué)家領(lǐng)銜的CALET實(shí)驗最新結果高出10倍。
圖 2 “悟空”號探測的40 GeV-100 TeV能段宇宙線(xiàn)質(zhì)子能譜（紅點(diǎn)）。圖取自DAMPE collaboration (2019, Sci. Adv., 5, eaax3793)
“悟空”號的測量結果確認了質(zhì)子能譜在數百GeV處的變硬行為。更為重要的是，“悟空”號首次發(fā)現質(zhì)子能譜在約14 TeV出現明顯的能譜變軟結構，這一新的結構很可能是由近鄰個(gè)別宇宙線(xiàn)源留下的印記，拐折能量即對應于其加速上限（圖3）。“悟空”號的結果對揭示高能宇宙線(xiàn)的起源以及加速機制具有十分重要的意義。
圖 3 解釋“悟空”號質(zhì)子能譜的一個(gè)理論模型
2017年以來(lái)，“悟空”號相繼在電子、質(zhì)子宇宙線(xiàn)測量方面取得突破性進(jìn)展，標志著(zhù)我國的空間高能粒子探測研究已躋身世界最前列。“悟空”號目前已經(jīng)進(jìn)入延壽運行階段，積累了大量的高質(zhì)量數據。“悟空”號合作組將陸續發(fā)表宇宙線(xiàn)氦核及其他更重的核素能譜測量結果，可望測出不同宇宙線(xiàn)核素能譜拐折能量，這將為揭示高能宇宙線(xiàn)的加速機制或與星際介質(zhì)的相互作用等物理問(wèn)題提供關(guān)鍵信息。
論文鏈接 https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax3793
悟空號是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰略先導專(zhuān)項所支持的空間科學(xué)衛星系列的首發(fā)星。該衛星的數據分析工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )-中國科學(xué)院空間科學(xué)衛星聯(lián)合基金、國家基金委杰出青年基金/優(yōu)秀青年基金、中國科學(xué)院等項目的大力支持。
