“悟空”发现宇宙线能谱“拐折”，挑战宇宙线加速世纪谜题
距离地球500公里的轨道上，我国第一颗天文卫星“悟空”号以日行65万公里的速度遨游太空，“捕捉”着四面八方的宇宙射线。5月19日，“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，专家发现氦核能谱也存在类似质子谱的拐折结构，这为人类进一步理解宇宙线起源这一世纪谜题提供了重要实验观测数据。
“悟空”号相继在正负电子、质子和氦核宇宙射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。
什么是宇宙线？
人类进行了一个世纪的追索
5月19日，中科院紫金山天文台举行“悟空”号宇宙射线成果新闻发布会，邀请有关专家对这一成果进行详细解读。中科院高能物理研究所研究员毕效军告诉记者，宇宙线，也称作宇宙射线，早在1912年就已被发现，与之相关的研究已经获得数个诺贝尔奖，但迄今为止人类仍未发现其确切起源。关于宇宙线从何而来，目前研究认为是起源于超新星爆炸的遗迹或者黑洞吸积等极端天体物理过程。
毕效军说，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、加速机制以及它们在宇宙空间中的传播及相互作用等基本问题仍然没有得到彻底的解答。为此世界各国建立了越来越多的宇宙线观测站。“悟空”号是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的科学卫星，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。
“悟空”号有哪些优势？
精确测量高能段宇宙线粒子
一直以来，高能段宇宙线能谱的精确测量是一件非常困难的事。紫金山天文台研究员袁强说，和国际上其它类似探测设备相比，“悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、粒子鉴别强，在高能正负电子和核素宇宙线的观测方面位居国际前列。
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”探测器具有优异的电荷分辨本领，可以对高能宇宙线质子和氦核进行有效鉴别，进而分别实现对质子和氦核能谱的精确测量。
准确测量宇宙线的能谱是研究宇宙线物理的核心任务。“对宇宙线能谱的研究，就好比‘人口普查’。”袁强介绍说，“高能和低能粒子的分布情况，能反映宇宙线里面结构性的问题，从而有望进一步将宇宙线如何获得加速，宇宙线的源头又出现在哪里等等未解之谜一一揭开。”
这一次“悟空”又发现了啥？
能谱出现神秘“拐折”
袁强说，利用“悟空”号收集的前两年半的数据，2019年合作组获得了从40 GeV到100 TeV能段的质子宇宙线精确能谱，揭示出在宽能段范围内质子能谱明显偏离理论预期的幂律能谱的行为特征。特别是在能量约14 TeV处的能谱拐折结构系由“悟空”号首次以高置信度观测到，该能量可能对应于宇宙线源的加速上限。
“悟空”号新成果对揭示高能宇宙线的起源以及加速机制具有十分重要的意义。“氦核能谱和质子能谱体现出非常类似的行为，预示着它们存在共同的起源。”紫金山天文台马鹏雄博士说，“悟空”号质子和氦核结果还表明，二者能谱拐折的位置近似正比于其电荷。这一新的拐折结构及其电荷依赖的特性预示着，它们可能来自邻近地球的某个宇宙线加速源，拐折能量对应于该源的加速上限。
那么这一宇宙线源究竟来自哪里？有科学家提出，它可能是离地球比较近的某个超新星的遗迹。但现有观测尚不足以准确定位这一来源。
“悟空”已经第二次“延寿”！
仍在不断观测数据
自2015年12月17日“悟空”号发射升空，“悟空”号已经在太空漫游五年半时间了。它的设计寿命为3年，已进入二次“延寿”运行阶段。目前探测器状态良好，仍在不断积累高质量观测数据。
紫金山天文台副台长毛瑞青告诉记者，“悟空”号卫星的三大科学目标是间接探测暗物质粒子、破解宇宙线起源和传播谜题、研究伽马射线天文现象，今后的科学研究仍然重点围绕这三个问题开展。随着数据的进一步积累和分析的深入，“悟空”号有望取得更多的科学成果，为最终揭开高能宇宙线的起源和加速之谜做出重要的贡献。
“悟空”号团队成员、紫金山天文台副研究员岳川告诉记者，每天清晨和傍晚，“悟空”号都会路过中国上空，位于密云、喀什、三亚的数据接收站启动程序，接收它回传的约16GB/天的原始数据。（记者 于丹丹）
