怎么拐折，電荷說(shuō)了算！

北京時(shí)間2026年4月29日晚，《自然》雜志在線發(fā)表了“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星宇宙射線觀測(cè)新結(jié)果，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、氦、碳、氧、鐵等5種原子核存在統(tǒng)一的軟化拐折（指粒子能譜斜率變得更陡）結(jié)構(gòu)，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(zhì)量的模型，對(duì)理解宇宙射線起源和加速提供重要觀測(cè)證據(jù)。

“悟空”號(hào)觀測(cè)到5種粒子統(tǒng)一能譜拐折結(jié)構(gòu)示意圖 | 圖源：暗物質(zhì)衛(wèi)星項(xiàng)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(jīng)典信使之一，攜帶著極端環(huán)境下天體和物理規(guī)律的重要信息。宇宙射線被發(fā)現(xiàn)以來(lái)已有超過(guò)百年的歷史，它們的起源天體、加速機(jī)制和傳播過(guò)程尚不清楚。宇宙射線的數(shù)目隨能量的關(guān)系稱為能譜，是研究其相關(guān)物理的關(guān)鍵觀測(cè)量。

宇宙射線的能譜大體呈現(xiàn)負(fù)冪律形式，即隨著能量的升高，粒子數(shù)目以能量的冪次函數(shù)形式下降，冪指數(shù)約-2.7。這一結(jié)果也對(duì)恩里克·費(fèi)米于1949年提出的統(tǒng)計(jì)加速理論提供了支持：費(fèi)米預(yù)言帶電粒子被運(yùn)動(dòng)的磁化云塊加速的過(guò)程可以自然地產(chǎn)生一個(gè)負(fù)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(xì)地測(cè)量粒子能譜，特別是不同種類的粒子能譜，人們發(fā)現(xiàn)宇宙射線的能譜遠(yuǎn)不止負(fù)冪律譜這樣簡(jiǎn)單，而是體現(xiàn)出各種結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含有關(guān)于宇宙射線起源、加速、傳播等物理過(guò)程的重要信息，因此也是宇宙射線研究的重中之重。

“悟空”衛(wèi)星十年巡天揭示統(tǒng)一拐折新結(jié)構(gòu)

“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星是一個(gè)專用的高能宇宙射線探測(cè)器，其主要科學(xué)目標(biāo)就是通過(guò)測(cè)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(cè)暗物質(zhì)粒子。“悟空”衛(wèi)星于2015年12月17日發(fā)射，已穩(wěn)定在軌運(yùn)行超過(guò)10年。

宇宙射線粒子的豐度和其加速源或者傳播過(guò)程密切相關(guān)。其中高豐度的元素被認(rèn)為主要來(lái)自源的加速過(guò)程，稱作初級(jí)宇宙射線。相應(yīng)地有一些相對(duì)豐度較低的元素，如鋰、鈹、硼等則主要來(lái)自重核在傳播過(guò)程中的碎裂，被稱為次級(jí)宇宙射線。利用“悟空”衛(wèi)星前9年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)精確測(cè)量了宇宙射線中相對(duì)豐度較高的5種原子核的能譜，它們是質(zhì)子、氦核、碳核、氧核和鐵核。研究發(fā)現(xiàn)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(lái)就像是平滑的能譜上出現(xiàn)了一個(gè)“鼓包”結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這5種粒子的“鼓包”出現(xiàn)的能量很好地正比于粒子電荷，而不是質(zhì)量。這意味著形成“鼓包”的原因很可能和粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程相關(guān)，即加速或傳播效應(yīng)，而不是和碎裂等相互作用過(guò)程相關(guān)。

“悟空”衛(wèi)星測(cè)得的5種宇宙射線能譜 丨圖源：Nature

鄰近加速源的印記

產(chǎn)生這一能譜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，抑或不同能段宇宙射線存在不一樣的傳播效應(yīng)也可產(chǎn)生能譜拐折。而最為合理的一種解釋是一個(gè)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(chǎn)生一個(gè)“鼓包”狀結(jié)構(gòu)。這個(gè)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(xiàn)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(dá)到“峰值”。

背景源和鄰近源疊加而形成“鼓包”結(jié)構(gòu)丨圖源：Nature

支持這一模型的另一證據(jù)來(lái)自于宇宙射線大尺度各向異性的觀測(cè)結(jié)果。宇宙射線在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)使其原本的方向已基本喪失殆盡，但統(tǒng)計(jì)來(lái)看存在著微弱的各向異性，在“悟空”號(hào)的能段各向異性程度在萬(wàn)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(dǎo)致的密度梯度分布。觀測(cè)的各向異性方位在約100太電子伏（1017 eV）能量處出現(xiàn)突然的翻轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)現(xiàn)象。同時(shí)，各向異性的幅度隨能量的變化關(guān)系也可以在該模型中得到解釋。簡(jiǎn)單地說(shuō)，觀測(cè)上看到的能譜“鼓包”來(lái)自這兩個(gè)成分的代數(shù)和，而各向異性的翻轉(zhuǎn)來(lái)自這兩個(gè)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(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的擬合，可以大概得到該鄰近源的物理性質(zhì)：其距離大約為1千光年，年齡約30萬(wàn)年，所處方位為背離銀河系中心的方向。恰好有一個(gè)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(wàn)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(cè)器中留下了明顯的印記。當(dāng)然這一結(jié)果還只是科學(xué)家的推測(cè)，希望未來(lái)“悟空”號(hào)和其他多波段觀測(cè)設(shè)施可以進(jìn)一步澄清Geminga和地球上觀測(cè)到的宇宙射線能譜特征的關(guān)系，為尋找到宇宙射線的確切源頭一錘定音。

根據(jù)錢德拉衛(wèi)星觀測(cè)描繪的Geminga脈沖星藝術(shù)圖丨圖源：NASA/Nahks TrEhnl

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)

編輯：測(cè)不準(zhǔn)的小陽(yáng)

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