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暗物质卫星悟空绘出最精确的高能氦原子核宇宙射线能谱

  5月19日,中科院紫金山天文台发布“悟空”号最新研究成果:获得氦核宇宙线70 GeV至80 TeV能段的精确能谱测量结果并发现能谱新结构这是国际上利用空间实验实现对10 TeV以上能段氦核宇宙线能谱的首次精确测量。而新发现的“先上翘后下降”能谱结构,很可能是由近邻个别宇宙线源留下的印记。“悟空”号的结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。

我们所生存的地球,时时刻刻都在经受来自外太空中高能粒子的轰击。各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等,被统称为宇宙线。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过程,因此它们也是极端条件下天体环境和物理规律的信使。人类对宇宙线的观测和研究已经长达一个世纪,但关于宇宙线的起源、加速机制及其在宇宙空间中的传播及相互作用等基本问题,仍未得到终极解答。

“宇宙线在空间中的能量如何分布?我们要给它们'摸家底’,如同人口普查一样为其绘制能谱,了解其性质、结构,以及从低能到高能的具体加速机制。”中科院高能物理研究所研究员毕效军介绍,宇宙线的数目随着能量变化的关系称为能谱,蕴含有丰富的关于宇宙线的物理信息。

2015年12月,我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星“悟空”号,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居于国际前列。

“悟空”号合作团队成员、中科院紫金山天文台研究员袁强介绍,质子和氦核是宇宙线中丰度最高的两种粒子,其数量约占宇宙线的99%。“悟空”号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。

精确测量宇宙线的能谱,是“悟空”号研究宇宙线物理的核心任务。传统宇宙射线加速和传播模型认为,随着能量升高,宇宙线粒子数目急剧减少,体现出随能量的负幂律函数依赖关系。

图为“悟空”号测量得到的40GeV-100TeV能段质子宇宙线能谱(左图红点)和70GeV-80TeV能段氦核宇宙线能谱(右图红点)

袁强介绍,2019年,合作团队根据“悟空”号收集的前两年半的数据,获得了从40 GeV到100 TeV能段的质子宇宙线精确能谱(如左图所示),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。

近日,基于卫星前四年半的在轨观测数据,“悟空”号合作组获得了氦核宇宙线从70 GeV至80 TeV能段的精确能谱测量结果(如右图所示)。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。“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。

“首先,质子和氦核能谱在超高能段呈现出类似的结构,二者互相印证,说明我们对宇宙线的了解在不断加深;其次,折拐结构的能量与粒子电荷成正比关系,为邻近加速源的假设又增添了砝码。”“悟空”号合作团队成员、中科院紫金山天文台博士马鹏雄表示,新发现对传统的宇宙射线加速和传播模型提出了挑战。

记者了解到,“悟空”号相继在正负电子、质子和氦核宇宙线测量方面获得国际领先成果,标志着我国的空间高能粒子探测研究已跻身世界最前列。目前,“悟空”号已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。随着数据的进一步积累和分析的深入,“悟空”号有望取得更多成果,为最终揭开高能宇宙线的起源和加速之谜,以及更好地了解我们所生存的地球家园,做出更多重要贡献。 

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