“悟空”号是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星，它的主要使命是间接探测暗物质粒子，研究宇宙线起源等。近日，中科院紫金山天文台科研团队通过“悟空”号探测的数据，获得了宇宙线中高能氦原子核的精确能谱。

质子和氦核是宇宙线中丰度最高的两种粒子，其数目占全部宇宙线总量的约99%。而“悟空”探测器具有优异的电荷分辨本领，较大的探测面积，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。中科院紫金山天文台研究员袁强：“在宇宙空间中这类原子核的能量分布，这所谓的能量分布就相当于，我们的人口普查中人年龄分布一样，通过这些研究可以反映社会的一些结构性问题，我们做的事情类似，我们通过测量宇宙射线的粒子，高能的有多少，低能的有多少，我们希望用这个东西，来反映宇宙射线里的一些结构性问题，帮助我们解释那些高能量的粒子，在那些极端天体物理环境里是怎样运作的。”

我们赖以生存的地球无时无刻不在经受来自外太空中高能粒子的轰击，这些粒子包括各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等，它们统称为宇宙线。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，因此它们也是极端条件下天体环境和物理规律的信使。

中科院高能物理研究所研究员毕效军告诉记者，宇宙线是自动送上门的来自宇宙深处的高能物质样品：“宇宙线里的不同元素所占的比例和太阳系基本上是相同的。质子和氦核是宇宙线中丰度最高的两种粒子，其数目占宇宙线的约99%。其他的氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧这些元素的分布基本上和太阳系是一样的。我们推测宇宙线的形成应该就是来自于超新星，这种剧烈的过程会把带电的粒子加速到很高的能量形成宇宙线。”

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。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。精确测量宇宙线的能谱是研究宇宙线物理的核心任务。

2019年9月，“悟空”号发布了一项重要研究成果，首次精确绘制了超高能宇宙线质子能谱，观测到了在能量约14 TeV（14万亿电子伏特）处的能谱拐折结构。这一次，利用“悟空”号四年半的在轨观测数据，科学家们获得了宇宙线氦核70 GeV（700亿电子伏特）至80 TeV（80万亿电子伏）能段的精确能谱测量结果。

中科院紫金山天文台研究员袁强告诉记者，和以往实验结果相比，“悟空”号的测量结果在TeV以上能段的精度显著提高。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。

要知道，自1912年发现宇宙射线以来，超高能宇宙线的起源问题至今未解，是一个世纪之谜。

“悟空”号是我国发射的第一颗用于空间高能粒子观测的卫星，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高能伽马射线天文。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位居国际前列。

于2015年12月17号发射升空的“悟空”号，目前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”号有望取得更多的重要成果，为最终揭开高能宇宙线的起源和加速之谜做出重要的贡献。

（来源：江苏广电融媒体新闻中心/吕莹莹 江苏新闻广播/周洋 编辑/汪泽）