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)。宇宙線(xiàn)被認為起源于超新星爆炸的遺跡或者黑洞吸積等極端天體，因此它們也是極端條件下天體環(huán)境和物理規律的信使。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，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宇宙空間中的傳播及相互作用等基本問(wèn)題仍然沒(méi)有得到徹底的解答。

　　宇宙線(xiàn)的數目隨著(zhù)能量的關(guān)系稱(chēng)為其能譜，蘊含有豐富的關(guān)于宇宙線(xiàn)的物理信息。隨著(zhù)能量升高宇宙線(xiàn)粒子數目急劇減少，體現出隨能量的負冪律函數依賴(lài)關(guān)系。精確測量宇宙線(xiàn)的能譜是研究宇宙線(xiàn)物理的核心任務(wù)。

　　 “悟空”號是我國發(fā)射的第一顆用于空間高能粒子觀(guān)測的衛星，它的主要使命是間接探測暗物質(zhì)粒子并研究宇宙線(xiàn)物理和高能伽馬射線(xiàn)天文。和國際上其它類(lèi)似探測設備相比，“悟空”號覆蓋能段寬、能量測量準、粒子鑒別強，在高能正負電子和核素宇宙線(xiàn)的觀(guān)測方面位居國際前列。

　　 質(zhì)子和氦核是宇宙線(xiàn)中豐度最高的兩種粒子，其數目占宇宙線(xiàn)的約99%。“悟空”探測器具有優(yōu)異的電荷分辨本領(lǐng)，可以對高能宇宙線(xiàn)質(zhì)子和氦核進(jìn)行有效鑒別，進(jìn)而分別實(shí)現對質(zhì)子和氦核能譜的精確測量。與同類(lèi)型空間探測實(shí)驗相比，悟空號具備領(lǐng)先的電荷分辨能力（見(jiàn)圖1）。

圖1“悟空”號電荷譜: 500GeV能段（左）和5TeV能段（右）

　　利用“悟空”號收集的前兩年半的數據，合作組獲得了從40 GeV到100 TeV能段的質(zhì)子宇宙線(xiàn)精確能譜（DAMPE 2019, Sci. Adv., 5, eaax3793），揭示出在寬能段范圍內質(zhì)子能譜明顯偏離理論預期的冪律能譜的行為特征。特別是在能量約14 TeV處的能譜拐折結構系由“悟空”號首次以高置信度觀(guān)測到，該能量可能對應于宇宙線(xiàn)源的加速上限。

　　近日，基于衛星前四年半的在軌觀(guān)測數據，“悟空”號國際合作組獲得了宇宙線(xiàn)氦核70 GeV至80 TeV能段的精確能譜測量結果，如圖2右圖所示（DAMPE 2021, Phys. Rev. Lett.）。和以往實(shí)驗結果相比，“悟空”號的測量結果在TeV以上能段的精度顯著(zhù)提高。氦核能譜和質(zhì)子能譜體現出非常類(lèi)似的行為，預示著(zhù)它們存在共同的起源。“悟空”號質(zhì)子和氦核結果還表明二者能譜拐折的位置近似正比于其電荷。這一新的拐折結構及其電荷依賴(lài)的特性預示著(zhù)它們可能來(lái)自鄰近地球的某個(gè)宇宙線(xiàn)加速源，拐折能量對應于該源的加速上限。

圖2 “悟空”號測量得到的40 GeV-100 TeV能段質(zhì)子宇宙線(xiàn)能譜（左圖紅點(diǎn)）和70 GeV-80 TeV能段氦核宇宙線(xiàn)能譜（右圖紅點(diǎn)）。圖取自DAMPE collaboration (2019 Sci. Adv.,5, eaax3793; 2021 Phys. Rev. Lett., 126, 201102)

　　 2017年以來(lái)，“悟空”號相繼在電子、質(zhì)子和氦核宇宙線(xiàn)測量方面取得國際領(lǐng)先的成果，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”號目前已進(jìn)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(guān)測數據。隨著(zhù)數據的進(jìn)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(kāi)高能宇宙線(xiàn)的起源和加速之謎做出重要的貢獻。

　　論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.201102