“悟空”號，新成果+1！

微信公眾號“中國科學院紫金山天文臺”消息，4月29日，《自然》雜志在線發表我國“悟空”號暗物質粒子探測衛星（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一拐折，并發現宇宙射線加速能量極限的電荷依賴規律，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境和物理規律的信使。人類對宇宙射線的研究已持續一個多世紀，但關于宇宙射線的起源、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。

表示粒子數目隨能量分布關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，也是揭示其起源這一重大科學問題的關鍵途徑。

由常進院士領銜研發的“悟空”號暗物質粒子探測衛星是中國科學院空間科學先導專項首發星，也是我國首顆空間天文衛星，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，并間接探測暗物質粒子。該衛星于2015年底發射，盡管設計壽命只有3年，但迄今已在軌平穩運行超過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具有獨到的優勢。

圖1：a-e為“悟空”號測量的質子、氦、碳、氧、鐵核能譜（圖中紅點）和其他實驗結果對比。圖中可以清晰地看到5種粒子存在統一的能譜“鼓包”結構。來自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

基于“悟空”號衛星前9年的觀測數據，研究團隊精確測得了質子、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”狀結構（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現的關鍵。研究結果同時表明，能譜“鼓包”結構出現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）而非粒子質量（右圖）。來自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

結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，多種粒子能譜的統一“鼓包”結構對應的是該源的加速能力上限（圖3）。

圖3：解釋“悟空”號能譜“鼓包”結構（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年丹麥物理學家Bernard Peters率先指出磁場約束環境中的粒子加速應遵循這一關系，后被稱為Peters 循環，這奠定了后續所有電荷依賴模型的基礎。但長期以來，這一關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、能段覆蓋范圍不夠寬，而且高能宇宙射線流量低，需要比以往更大面積的空間探測器。“悟空”號憑借優異的電荷分辨能力、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鍵保障?！拔蚩铡碧栠@一最新結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，對揭開宇宙射線起源之謎有重要意義。

目前，“悟空”號探測器狀態良好，仍將持續在軌運行并不斷積累更多高質量數據。隨著數據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院紫金山天文臺、中國科學技術大學、中國科學院近代物理研究所、中國科學院高能物理研究所以及瑞士、意大利的多家研究機構共同完成。該研究得到了國家自然科學基金委員會、國家重點研發計劃、中國科學院以及新基石基金等項目的支持。