中国科学院紫金山天文台牵头的“悟空”暗物质粒子探测卫星国际合作组，近日在宇宙线研究领域取得重要突破。研究团队首次直接观测到质子、氦、碳、氧、铁五种宇宙线能谱中的统一“鼓包”结构，并确认其位置与粒子电荷成正比。这一发现不仅意味着附近可能存在宇宙线加速源，也为上世纪60年代提出的经典“电荷依赖加速模型”提供了首个直接观测证据。
该成果得到国家自然科学基金多个项目支持，对于理解宇宙线的起源、传播和加速机制具有重要意义。
宇宙线研究迎来关键突破
高能粒子长期困扰科学界
在浩瀚宇宙中，存在大量以接近光速运动的高能粒子流，包括原子核、电子、正电子、高能伽马射线以及中微子等，它们统称为宇宙线。科学界普遍认为，这些粒子可能来自超新星爆发遗迹、高速旋转的中子星、吸积黑洞等极端天体环境。
由于携带着极端宇宙环境中的信息，宇宙线被视为研究高能天体物理的重要“信使”。然而，一个多世纪以来，宇宙线究竟从何而来、如何被加速、如何在星际空间传播等核心问题始终没有完全解决。
科学家认为，精确测量不同宇宙线成分的能谱，是破解这些问题的重要途径。但受限于探测技术和观测条件，长期以来高精度实验数据一直较为缺乏。
“悟空”卫星具备独特探测优势
我国首颗空间天文卫星持续稳定运行
“悟空”暗物质粒子探测卫星（DAMPE）是我国首颗空间天文卫星，于2015年底发射升空，至今已在轨稳定运行超过10年。
该卫星主要通过高精度探测宇宙中的高能粒子与辐射，研究宇宙线的起源和传播过程，并间接开展暗物质粒子探测。
与国际同类空间高能粒子探测器相比，“悟空”具备覆盖能区更宽、能量测量更精准、粒子鉴别能力更强等优势，尤其在太电子伏特（TeV）以上高能区间表现突出。1 TeV相当于1万亿电子伏特，这一能量尺度通常被视为研究极端宇宙现象的重要窗口。
基于“悟空”前9年的观测数据，研究团队对质子、氦、碳、氧和铁五类最丰富宇宙线成分进行了超宽能区精确测量。
首次发现统一“鼓包”结构
能谱特征与粒子电荷直接相关
研究结果显示，这五种宇宙线能谱中均出现了此前未被直接发现的统一“鼓包”结构。
其中，在碳、氧和铁等重元素宇宙线测量中，“悟空”达到的最高能量范围比过去实验结果高出数倍，因此首次揭示出高能区的新特征。
更重要的是，研究团队确认，“鼓包”出现的位置与粒子电荷呈线性关系，而并非与粒子质量相关。数据显示，这一结论的统计置信度超过99.999%，基本排除了“质量相关模型”的可能性。
这一结果意味着，宇宙线的加速过程更可能受到粒子电荷影响，而非质量本身。
为经典理论提供直接观测证据
“彼得斯循环”获得验证
结合宇宙线大尺度各向异性观测结果，研究团队认为，附近可能存在一个宇宙线加速源，而统一“鼓包”结构对应着这一加速源的能力上限。
这一能力上限与粒子电荷呈线性关系，与丹麦科学家伯纳德·彼得斯1961年提出的理论预测高度一致。该理论认为，在磁场约束环境中，粒子的最大加速能力应与其电荷成正比，这一规律后来被称为“彼得斯循环”。
长期以来，这一理论更多停留在理论模型层面，而“悟空”此次观测结果首次提供了直接实验观测证据，标志着经典宇宙线加速理论迈向实证科学的重要一步。
宇宙高能物理研究迈向新阶段
业内人士认为，“悟空”卫星此次取得的成果，不仅进一步提升了中国在空间高能天体物理领域的国际影响力，也为未来探索银河系内高能粒子来源、研究极端天体活动提供了关键数据支撑。
随着我国空间科学基础设施持续完善，包括高能粒子探测、深空观测和暗物质研究等前沿领域，有望在未来获得更多原创性突破。
