微信公眾號“中國科學(xué)院紫金山天文臺”消息，4月29日，《自然》雜志在線發(fā)表我國“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（DAMPE）最新研究成果。該研究觀測到多種核素宇宙射線能譜存在電荷依賴的統(tǒng)一拐折，并發(fā)現(xiàn)宇宙射線加速能量極限的電荷依賴規(guī)律，為揭開宇宙射線起源之謎提供了重要線索。

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(tǒng)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(zhuǎn)的中子星、吸積黑洞等極端天體，因此是研究極端條件下天體環(huán)境和物理規(guī)律的信使。人類對宇宙射線的研究已持續(xù)一個多世紀，但關(guān)于宇宙射線的起源、加速機制以及它們在宇宙空間中的傳播和相互作用等基本問題仍然沒有確切的答案。

表示粒子數(shù)目隨能量分布關(guān)系的宇宙射線能譜中蘊含著豐富的物理信息。隨著能量升高，粒子數(shù)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(wù)，也是揭示其起源這一重大科學(xué)問題的關(guān)鍵途徑。

由常進院士領(lǐng)銜研發(fā)的“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項首發(fā)星，也是我國首顆空間天文衛(wèi)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(zhì)粒子。該衛(wèi)星于2015年底發(fā)射，盡管設(shè)計壽命只有3年，但迄今已在軌平穩(wěn)運行超過10年，記錄了約185億個高能粒子事例。與國際同類空間高能粒子探測設(shè)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(qū)具有獨到的優(yōu)勢。

圖1：a-e為“悟空”號測量的質(zhì)子、氦、碳、氧、鐵核能譜（圖中紅點）和其他實驗結(jié)果對比。圖中可以清晰地看到5種粒子存在統(tǒng)一的能譜“鼓包”結(jié)構(gòu)。來自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

基于“悟空”號衛(wèi)星前9年的觀測數(shù)據(jù)，研究團隊精確測得了質(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)（圖1）。其中碳、氧和鐵的最高有效測量能量較以往提升近10倍，這是上述高能段能譜新特征得以被發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。研究結(jié)果同時表明，能譜“鼓包”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的位置與粒子電荷成正比，并以超過99.999%的置信水平排除了與粒子質(zhì)量成正比的模型（圖2）。

圖2：拐折能量正比于粒子電荷（左圖）而非粒子質(zhì)量（右圖）。來自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

結(jié)合宇宙射線大尺度各向異性觀測進行綜合分析，“悟空”號的這一最新結(jié)果表明：存在一個近鄰的宇宙射線加速源，多種粒子能譜的統(tǒng)一“鼓包”結(jié)構(gòu)對應(yīng)的是該源的加速能力上限（圖3）。

圖3：解釋“悟空”號能譜“鼓包”結(jié)構(gòu)（左圖）和宇宙射線大尺度各向異性幅度和相位（右圖）的鄰近源模型（實線）。來自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

這意味著宇宙射線源加速粒子的能量上限與電荷成正比。1961年丹麥物理學(xué)家Bernard Peters率先指出磁場約束環(huán)境中的粒子加速應(yīng)遵循這一關(guān)系，后被稱為Peters 循環(huán)，這奠定了后續(xù)所有電荷依賴模型的基礎(chǔ)。但長期以來，這一關(guān)系并沒有在實驗上獲得驗證，主要原因是對不同類別宇宙射線能譜的測量精度不夠高、能段覆蓋范圍不夠?qū)挘腋吣苡钪嫔渚�流量低，需要比以往更大面積的空間探測器�！拔蚩铡碧枒{借優(yōu)異的電荷分辨能力、極寬的能量測量范圍以及大探測面積，為研究這一問題提供了關(guān)鍵保障。“悟空”號這一最新結(jié)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(jù)，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(tài)良好，仍將持續(xù)在軌運行并不斷積累更多高質(zhì)量數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)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。

此項研究由中國科學(xué)院紫金山天文臺、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所、中國科學(xué)院高能物理研究所以及瑞士、意大利的多家研究機構(gòu)共同完成。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院以及新基石基金等項目的支持。