怎么拐折，電荷說了算！

北京時間2026年4月29日晚，《自然》雜志在線發表了“悟空”號暗物質粒子探測衛星宇宙射線觀測新結果，發現質子、氦、碳、氧、鐵等5種原子核存在統一的軟化拐折（指粒子能譜斜率變得更陡）結構，且拐折的能量正比于粒子電荷，并以>99.999%的高置信度排除了另一類廣泛討論的拐折正比于質量的模型，對理解宇宙射線起源和加速提供重要觀測證據。

“悟空”號觀測到5種粒子統一能譜拐折結構示意圖 | 圖源：暗物質衛星項目組

宇宙射線的能譜

宇宙射線是廣泛存在于宇宙空間的高能粒子，它們是觀察宇宙的經典信使之一，攜帶著極端環境下天體和物理規律的重要信息。宇宙射線被發現以來已有超過百年的歷史，它們的起源天體、加速機制和傳播過程尚不清楚。宇宙射線的數目隨能量的關系稱為能譜，是研究其相關物理的關鍵觀測量。

宇宙射線的能譜大體呈現負冪律形式，即隨著能量的升高，粒子數目以能量的冪次函數形式下降，冪指數約-2.7。這一結果也對恩里克·費米于1949年提出的統計加速理論提供了支持：費米預言帶電粒子被運動的磁化云塊加速的過程可以自然地產生一個負冪律能譜。

宇宙射線全粒子能譜丨圖源：S. Swordy, University of Chicago

然而，仔細地測量粒子能譜，特別是不同種類的粒子能譜，人們發現宇宙射線的能譜遠不止負冪律譜這樣簡單，而是體現出各種結構，有的類似人的膝蓋（即能譜斜率變陡）、有的類似腳踝（斜率變緩），人們也因此以“膝”、“踝”等命名這些結構。這些結構蘊含有關于宇宙射線起源、加速、傳播等物理過程的重要信息，因此也是宇宙射線研究的重中之重。

“悟空”衛星十年巡天揭示統一拐折新結構

“悟空”號暗物質粒子探測衛星是一個專用的高能宇宙射線探測器，其主要科學目標就是通過測量各種宇宙射線的能譜和方向分布等研究宇宙射線物理并間接探測暗物質粒子。“悟空”衛星于2015年12月17日發射，已穩定在軌運行超過10年。

宇宙射線粒子的豐度和其加速源或者傳播過程密切相關。其中高豐度的元素被認為主要來自源的加速過程，稱作初級宇宙射線。相應地有一些相對豐度較低的元素，如鋰、鈹、硼等則主要來自重核在傳播過程中的碎裂，被稱為次級宇宙射線。利用“悟空”衛星前9年的觀測數據，研究團隊精確測量了宇宙射線中相對豐度較高的5種原子核的能譜，它們是質子、氦核、碳核、氧核和鐵核。研究發現這5種粒子的能譜均存在非常類似的先“硬化”后“軟化”的行為，看起來就像是平滑的能譜上出現了一個“鼓包”結構。

進一步分析發現，這5種粒子的“鼓包”出現的能量很好地正比于粒子電荷，而不是質量。這意味著形成“鼓包”的原因很可能和粒子在磁場中的運動過程相關，即加速或傳播效應，而不是和碎裂等相互作用過程相關。

“悟空”衛星測得的5種宇宙射線能譜 丨圖源：Nature

鄰近加速源的印記

產生這一能譜結構的原因可能有多種，比如兩類加速上限不同的宇宙射線源疊加可以形成類似拐折結構，抑或不同能段宇宙射線存在不一樣的傳播效應也可產生能譜拐折。而最為合理的一種解釋是一個鄰近地球的加速源疊加在銀河系大量背景源形成的平滑能譜之上，從而產生一個“鼓包”狀結構。這個鄰近源的能譜有別于背景源，其低能段由于尚未傳播到地球而出現流量壓低，高能段由于加速能力極限也存在壓低，從而自然地在“鼓包”所在的能量處達到“峰值”。

背景源和鄰近源疊加而形成“鼓包”結構丨圖源：Nature

支持這一模型的另一證據來自于宇宙射線大尺度各向異性的觀測結果。宇宙射線在磁場中偏轉使其原本的方向已基本喪失殆盡，但統計來看存在著微弱的各向異性，在“悟空”號的能段各向異性程度在萬分之一到千分之一的水平，反映了宇宙射線源分布非均勻所導致的密度梯度分布。觀測的各向異性方位在約100太電子伏（1017 eV）能量處出現突然的翻轉，高能的宇宙射線各向異性由銀河系中心方向指向反銀心的方向，而低能段的各向異性方向差了近180度。這一鄰近源疊加背景源的模型恰好可以很自然地解釋這一翻轉現象。同時，各向異性的幅度隨能量的變化關系也可以在該模型中得到解釋。簡單地說，觀測上看到的能譜“鼓包”來自這兩個成分的代數和，而各向異性的翻轉來自這兩個成分的矢量和。

大尺度各向異性的幅度和相位隨能量的演化丨 圖源：Nature

鄰近源是什么天體？

通過對觀測數據的擬合，可以大概得到該鄰近源的物理性質：其距離大約為1千光年，年齡約30萬年，所處方位為背離銀河系中心的方向。恰好有一個天體符合這些條件，這就是杰敏卡伽馬射線源(Geminga)。它是一顆明亮的高能伽馬射線脈沖星，位于雙子座，由大約30萬年前的一次超新星爆炸所形成。超新星爆炸形成的遺跡雖然今天已幾乎消散，但它加速出的宇宙射線粒子卻在我們的探測器中留下了明顯的印記。當然這一結果還只是科學家的推測，希望未來“悟空”號和其他多波段觀測設施可以進一步澄清Geminga和地球上觀測到的宇宙射線能譜特征的關系，為尋找到宇宙射線的確切源頭一錘定音。

根據錢德拉衛星觀測描繪的Geminga脈沖星藝術圖丨圖源：NASA/Nahks TrEhnl

來源：中國科學院紫金山天文臺

編輯：測不準的小陽

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