新京报快讯（采访人员 张璐）神秘的宇宙线起源研究又有了最新进展 。 采访人员今天（5月19日）从中科院紫金山天文台获悉 ， “悟空”号合作组发布了宇宙线氦核的精确能谱测量最新结果 ， 这将有助于揭示高能宇宙线的起源以及加速机制 。
采访人员注意到 ， 我国的宇宙线研究正陆续取得成果 。 两个月以来 ， 已经有3场发布会介绍了相关内容 。
“悟空”号卫星 。 紫金山天文台供图
路径
通过“能谱”研究宇宙线
如何对宇宙线进行研究？据中科院高能物理研究所研究员毕效军介绍 ， 宇宙线包括各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等 ， 目前有空间、地面的宇宙线实验正在开展 。
【正负电子|“悟空”号卫星发布新成果，助力揭开高能宇宙线起源之谜】比如高海拔宇宙线观测站LHAASO（拉索）位于地面上 ， 通过观测高能量的伽马射线 ， 寻找宇宙线起源；也有实验通过中微子的探测 ， 寻找宇宙线起源；还有一类空间实验 ， 通过高精度测量宇宙线不同成分的能谱 ， 发现宇宙线精细结构 ， 比如“悟空”号卫星、诺贝尔奖获奖者丁肇中领导的位于国际空间站的AMS实验 。
何为宇宙线的能谱？毕效军举例说 ， 就像通过“人口普查”可以看清各年龄段分别有多少人一样 ， 将各年龄段人员数量画成一条线就是谱线 。 科学家也对宇宙线粒子进行“普查” ， 测量不同能量的粒子数量 ， 画成一条线 。 “横坐标代表宇宙线能量 ， 纵坐标代表宇宙线粒子数 。 ”
宇宙线的数目随着能量变化的规律就是“能谱” ， 其中蕴含有丰富的关于宇宙线的物理信息 。 科研人员发现 ， 随着宇宙线能量升高 ， 宇宙线粒子数目急剧减少 。 “能量增加10倍 ， 粒子数减少到原来的1/500 。 ”
优势
覆盖能段宽、能量测量准、粒子鉴别强
“悟空”号是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星 ， 它的主要使命是间接探测暗物质粒子并研究宇宙线物理和高能伽马射线天文 。 据中科院紫金山天文台研究员袁强介绍 ， 和国际上其他类似探测设备相比 ， “悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、粒子鉴别强 。
科研人员通过测量粒子电荷 ， 分辨不同粒子 。 质子和氦核是宇宙线中丰度最高的两种粒子 ， 其数目占宇宙线的约99% 。 “悟空”号具备优异的电荷分辨能力 ， 可以对高能宇宙线质子和氦核进行有效鉴别 ， 进而精确测量质子和氦核能谱 。
利用“悟空”号收集的前两年半的数据 ， “悟空”号合作组获得了从40 GeV（1 GeV=10亿电子伏特）到100 TeV（1TeV=1万亿电子伏）能段的宇宙线质子精确能谱 。 近日 ， 基于卫星前四年半的在轨观测数据 ， 合作组获得了宇宙线氦核70 GeV至80 TeV能段的精确能谱测量结果 。 和以往实验结果相比 ， “悟空”号的测量结果在TeV以上能段的精度显著提高 。
“悟空”号质子和氦核能谱在10 TeV以上出现了类似的结构 ， 均显现了能谱变软的“拐折”结构 ， 从“拐折点”起 ， 粒子数量快速减少 。 由于宇宙线能量越高 ， 粒子数目越少 ， 科研人员认为 ， 这预示着它们可能来自邻近地球的某个宇宙线加速源（天体） ， 拐折点对应于该源的加速能力上限 。 “这个天体的定位、距离等暂时无法准确给出 ， 但是这个结果朝着最终理解宇宙射线起源迈出了重要一步 。 ”袁强说 。
针对加速上限 ， 毕效军解释说 ， 北京正负电子对撞机加速电子能量约为5个GeV ， 欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）加速能力约1万个GeV 。 宇宙中存在的天然粒子加速器 ， 比如极端天体 ， 加速能力同样存在高低之别 。 能谱上测量到的“拐折”可能对应于某一天然加速器加速宇宙线能量的上限 。 此次成果有助于揭示高能宇宙线的加速机制 。
“超期服役”
“悟空”号进入二次延寿运行阶段
“悟空”号由数百人花了4年时间研制完成 ， 于2015年12月17日发射升空 ， 曾被《自然》杂志评价为“开启了中国空间科学时代” 。 2017年以来 ， “悟空”号相继在电子、质子和氦核宇宙线测量方面取得国际领先的成果 ， 标志着我国的空间高能粒子探测研究已跻身世界最前列 。
袁强说 ， “悟空”号原计划运行3年 ， 2019年经过评审进入“超期服役”阶段 。 目前它已经在轨运行5年半 ， 进入二次延寿运行阶段 ， 探测器状态良好 ， 仍在不断积累高质量观测数据 。 “探测器已经完成全天扫描接近11次 ， 积累宇宙射线事例超过100亿个 。 ”他说 ， 未来 ， “悟空”号有望取得更多的重要成果 ， 为最终揭开高能宇宙线的起源和加速之谜做出重要贡献 。
据中科院紫金山天文台副研究员岳川介绍 ， 多个单位的工程团队精心维护“悟空”号的在轨运行 ， 并进行科学的数据处理分析 。 每天 ， 卫星观测到的16GB数据会传到地面观测站 ， 经过处理供科学家分析 。 “数据分析很复杂 ， 要把天上的二进制数据转变成粒子的物理信息 ， 再重建能谱 。 “数据分析人员要小心再小心 ， 保证数据真实可靠 ， 通过足够的样本积累才能最终得到可以发表的成果 。 ”
■延展
高能宇宙线起源为“世纪未解之谜”
人类赖以生存的地球 ， 无时无刻不在经受来自外太空中高能粒子的“轰击” 。 这些粒子包括各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等 ， 它们统称为宇宙线 。
宇宙线被认为起源于超新星爆炸的遗迹或者黑洞吸积等极端天体 ， 因此它们也是极端条件下天体环境和物理规律的“信使” 。 宇宙线于1912年被发现 ， 早期的宇宙线研究为粒子物理学的发展和成型起到了至关重要的作用 。
高能宇宙线起源是一个世纪未解之谜 ， 曾被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一 。 人类对宇宙线的观测和研究已经长达一个世纪 ， 但时至今日 ， 关于宇宙线的起源、加速机制等基本问题仍然没有得到彻底的解答 。
采访人员注意到 ， 我国的宇宙线研究正陆续取得成果 。 两个月以来 ， 已经有3场发布会介绍了相关内容 。
此前 ， 中日合作西藏羊八井ASγ实验观测到最高能量接近1拍电子伏特（1 PeV为1000万亿电子伏 ， 也叫“拍电子伏”）的弥散伽马射线辐射 ， 这是国际上首次发现“拍电子伏特宇宙线加速器”（“PeVatron”）在银河系中存在的证据 。
此外 ， 国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站LHAASO（拉索）”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器 ， 并记录到最高1.4拍电子伏的伽马光子 ， 改变了人类对银河系粒子加速的传统认知 ， 开启“超高能伽马天文学”的时代 。
新京报采访人员 张璐
编辑 白爽 校对 卢茜
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