北京
▲“悟空”號發現宇宙射線加速能量極限的電荷依賴規律（視頻由AI生成，視頻來源：中國科學院紫金山天文臺）
近日，中國科學院紫金山天文臺等國際研究團隊，基于“悟空”號暗物質粒子探測衛星觀測數據，證明鄰近地球的空間中，存在宇宙射線加速源。
這一結果為20世紀60年代提出的電荷依賴加速模型給出了直接觀測證據，為最終解開宇宙射線起源之謎提供了關鍵線索。
01
能譜暗藏關鍵線索
宇宙空間存在著大量以接近光速穿行的高能粒子流，這些粒子包括各種原子核、正負電子、高能伽馬射線和中微子等，統稱為宇宙射線。
宇宙射線被認為起源于超新星爆炸的遺跡、高速旋轉的中子星、吸積黑洞等極端天體，是研究極端條件下天體環境和物理規律的信使。
宇宙射線能譜表示粒子數目隨能量的分布關系，蘊含著豐富的物理信息。隨著能量升高，粒子數目急劇減少。
精確測量宇宙射線中各種組分粒子的能譜，是研究宇宙射線物理的核心任務，也是揭示宇宙射線起源這一重大科學問題的關鍵途徑。
▲“悟空”號發現宇宙射線加速能量極限的電荷依賴規律
02
“悟空”發現能譜新特征
“悟空”號暗物質粒子探測衛星，是中國科學院空間科學先導專項首發星，也是我國首顆空間天文衛星，主要通過高精度觀測宇宙高能粒子和輻射來研究宇宙射線的起源和傳播，并間接探測暗物質粒子。
該衛星迄今已在軌平穩運行超過10年，探測到約185億個高能粒子事例。與國際同類空間高能粒子探測設備相比，“悟空”號覆蓋能段寬、能量測量準、粒子甄別能力強，在萬億至千萬億電子伏特能區具有獨到的優勢。
▲“悟空”號發現宇宙射線加速能量極限的電荷依賴規律
基于衛星前9年的觀測數據，研究團隊精確測得了質子、氦、碳、氧和鐵等5種豐度最高的宇宙射線粒子在超寬能段內的能譜，首次直接探測到它們在高能段存在共同且顯著的“鼓包”狀結構。其中，碳、氧和鐵的最高有效測量能量較以往提升近10倍，且置信水平超99.999%。
03
佐證經典物理模型
宇宙射線源加速粒子的能量上限與電荷成正比，磁場約束環境中的粒子加速應遵循這一關系，被稱為Peters循環。Peters循環奠定了后續所有電荷依賴模型的基礎，但長期以來，這一關系并沒有在實驗上獲得驗證。
綜合分析表明，“悟空”號最新觀測結果證實：地球近鄰存在一個宇宙射線加速源，多種粒子能譜的統一“鼓包”結構，對應的是該源的加速能力上限。
“悟空”號這一最新結果首次對六十余年前提出的宇宙射線電荷依賴加速模型給出直接觀測證據，對揭開宇宙射線起源之謎有重要意義。
目前，“悟空”號探測器狀態良好，仍將持續在軌運行并不斷積累更多高質量數據。隨著數據的進一步積累和分析的深入，有望取得更多重要成果，為最終揭開高能宇宙射線的起源和加速之謎作出重要貢獻。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-026-10472-0
來源：中國科學院紫金山天文臺
責任編輯：曹旸
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