“悟空”号宇宙线研究获国际性突破

新华日报 2025年5月21日 第10版

记者近日从中国科学院紫金山天文台获悉，暗物质粒子探测卫星“悟空”号国际合作组利用该卫星前8年观测数据，在国际上首次获得了TeV/n（高能物理中的能量单位，1TeV/n=1万亿电子伏特/核子）能区最精确的次级宇宙线硼核能谱，并发现了能谱新结构。这一观测为修正宇宙线传播模型提供了最新的观测依据。

宇宙线是来自外太空的高能粒子流，主要由各种质子、原子核、电子、高能伽马射线和中微子等组成。宇宙线的起源和传播是物理和天文领域重要的前沿科学问题。

作为我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的天文卫星，“悟空”号的核心科学目标除了探测暗物质粒子，还包括通过探测宇宙线核素粒子来研究宇宙线的加速和传播机制。

“悟空”号国际合作组科研人员介绍，在宇宙线中，硼原子核主要是碳核、氧核等原初核素在传播过程中和星际物质发生碰撞后产生的次级粒子，其能谱反映了宇宙线扩散传播过程的重要信息。

近年来，国际上的一些直接观测实验发现，宇宙线硼核能谱在百GeV/n以上能区存在变硬（即能谱指数增大）的迹象，这意味着观测到了比理论预测更多的粒子，但因测量精度的限制，无法对此给出确切的探测结果，也不能有效地检验现有的宇宙线传播模型。

基于“悟空”号的高精度鉴别能力，“悟空”号国际合作组利用前8年观测数据，获得了10 GeV/n到8 TeV/n能区次级宇宙线硼元素能谱的精确测量结果。这是国际上首次实现对1 TeV/n以上能区硼能谱的精确测量，测量精度和能量上限显著超过以往空间探测实验。

测量结果发现，宇宙线硼核在约200 GeV/n处存在显著的能谱变硬结构，粒子流量在更高能量处显著超出了经典模型的预测，且硼核的能谱指数增大幅度约为原初宇宙线质子、氦核的两倍。这表明宇宙线能谱变硬结构可能源自宇宙线传播效应，在高能区宇宙线的传播扩散比预想更慢。这一观测结果对研究宇宙线的传播过程具有重要意义，近日发表于国际物理学顶级期刊《物理评论快报》。