我們賴以生存的地球無(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(fù)電子、高能伽馬射線和中微子等，它們統(tǒng)稱為宇宙線。宇宙線被認(rèn)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(guī)律的信使。人類對(duì)宇宙線的觀測(cè)和研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)，但時(shí)至今日，關(guān)于宇宙線的起源、加速機(jī)制以及它們?cè)谟钪婵臻g中的傳播及相互作用等基本問(wèn)題仍然沒有得到徹底的解答。
宇宙線的數(shù)目隨著能量的關(guān)系稱為其能譜，蘊(yùn)含有豐富的關(guān)于宇宙線的物理信息。隨著能量升高宇宙線粒子數(shù)目急劇減少，體現(xiàn)出隨能量的負(fù)冪律函數(shù)依賴關(guān)系。精確測(cè)量宇宙線的能譜是研究宇宙線物理的核心任務(wù)。
“悟空”號(hào)是我國(guó)發(fā)射的第一顆用于空間高能粒子觀測(cè)的衛(wèi)星，它的主要使命是間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子并研究宇宙線物理和高能伽馬射線天文。和國(guó)際上其它類似探測(cè)設(shè)備相比，“悟空”號(hào)覆蓋能段寬、能量測(cè)量準(zhǔn)、粒子鑒別強(qiáng)，在高能正負(fù)電子和核素宇宙線的觀測(cè)方面位居國(guó)際前列。
質(zhì)子和氦核是宇宙線中豐度最高的兩種粒子，其數(shù)目占宇宙線的約99%。“悟空”探測(cè)器具有優(yōu)異的電荷分辨本領(lǐng)，可以對(duì)高能宇宙線質(zhì)子和氦核進(jìn)行有效鑒別，進(jìn)而分別實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)子和氦核能譜的精確測(cè)量。與同類型空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)相比，悟空號(hào)具備領(lǐng)先的電荷分辨能力（見圖1）。
圖1“悟空”號(hào)電荷譜: 500GeV能段（左）和5TeV能段（右）
利用“悟空”號(hào)收集的前兩年半的數(shù)據(jù)，合作組獲得了從40 GeV到100 TeV能段的質(zhì)子宇宙線精確能譜（DAMPE 2019, Sci. Adv., 5, eaax3793），揭示出在寬能段范圍內(nèi)質(zhì)子能譜明顯偏離理論預(yù)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(jié)構(gòu)系由“悟空”號(hào)首次以高置信度觀測(cè)到，該能量可能對(duì)應(yīng)于宇宙線源的加速上限。
近日，基于衛(wèi)星前四年半的在軌觀測(cè)數(shù)據(jù)，“悟空”號(hào)國(guó)際合作組獲得了宇宙線氦核70 GeV至80 TeV能段的精確能譜測(cè)量結(jié)果，如圖2右圖所示（DAMPE 2021, Phys. Rev. Lett.）。和以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，“悟空”號(hào)的測(cè)量結(jié)果在TeV以上能段的精度顯著提高。氦核能譜和質(zhì)子能譜體現(xiàn)出非常類似的行為，預(yù)示著它們存在共同的起源。“悟空”號(hào)質(zhì)子和氦核結(jié)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(jié)構(gòu)及其電荷依賴的特性預(yù)示著它們可能來(lái)自鄰近地球的某個(gè)宇宙線加速源，拐折能量對(duì)應(yīng)于該源的加速上限。
圖2 “悟空”號(hào)測(cè)量得到的40 GeV-100 TeV能段質(zhì)子宇宙線能譜（左圖紅點(diǎn)）和70 GeV-80 TeV能段氦核宇宙線能譜（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(hào)相繼在電子、質(zhì)子和氦核宇宙線測(cè)量方面取得國(guó)際領(lǐng)先的成果，標(biāo)志著我國(guó)的空間高能粒子探測(cè)研究已躋身世界最前列。“悟空”號(hào)目前已進(jìn)入二次延壽運(yùn)行階段，探測(cè)器狀態(tài)良好，仍在不斷積累高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)的進(jìn)一步積累和分析的深入，“悟空”號(hào)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(xiàn)。
附件下載：
新聞動(dòng)態(tài)