“悟空”号发布最新研究成果:首次精确绘制超高能宇宙线质子能谱

2019年09月28日14:31  来源:人民网-江苏频道
 

图为“悟空”号探测的40 GeV-100 TeV能段宇宙线质子能谱。

人民网南京9月28日电(记者姚雪青)今天,中科院紫金山天文台发布了中国首颗空间天文卫星——“悟空”号对宇宙线质子的最新研究成果:北京时间2019年9月28日,“悟空”号国际合作组在《科学进展》(Science Advances)杂志发表了从40 GeV到100 TeV能段的宇宙线质子精确能谱测量结果。这是国际上首次利用空间实验实现对高达100 TeV的宇宙线质子能谱的精确测量,这对于研究和认识银河系内宇宙线起源、加速机制,以及它们在星际空间和星系际空间中的传播及相互作用等关键问题,有着很重要的价值和意义。

宇宙线曾经对基本粒子物理学科起到了非常重要的作用,人们从宇宙线中发现了一大批新粒子,有效地推动了人类对物质基本结构及其相互作用规律的认识。宇宙线还跟宇宙中极端天体现象紧密联系,反映了天体的形成和演化规律。

紫金山天文台研究员范一中告诉记者,对于宇宙线的直接测量,需要到外太空进行,因为地球大气会阻挡、摧毁这些宇宙线,以至于这些高能粒子到达不了地球。此前国际上最好的两组直接测量结果,分别是丁肇中先生的AMS-02以及日本科学家领衔的CALET实验。而前者只工作到了1.8TeV,后者2019年的结果只到10TeV。由于宇宙线质子的流量大致以能量的负2.7次方衰减,所以要精确测量更高能段的质子宇宙线能谱,技术难度很大。“悟空号此次发布的数据到了100TeV,相比于AMS-02以及CALET,观测能段分别提高了约50倍和10倍,从实验本身而言表明中国的空间高能粒子探测能力跻身国际最前沿。”

“根据传统的宇宙线加速和传播模型预测,宇宙线能谱应服从幂律分布,这是因为科学家分析认为,宇宙线加速源大体均匀地散落在宇宙空间中。但最新成果表明,宇宙线质子能谱并不服从单一幂律分布,而是先上翘再下降,即是‘软硬兼备’的。”“悟空”号团队成员岳川进一步解释,“硬”和“软”衡量的是其中高能量粒子占比的多与少。该测量结果确认了之前发现的质子能谱在数百GeV处的变“硬”行为。更为重要的是,“悟空”号首次发现质子能谱在约14 TeV出现明显的能谱变“软”结构。

“悟空”号团队认为,这一最新结果对揭示高能宇宙线的起源以及加速机制具有重要意义,并对这个结果给出两种理论上的推测。一种是,14 TeV处能谱变软的结构很可能是太阳系周围个别宇宙线源留下的印记,例如超新星遗迹或者脉冲星,拐折能量即对应于这个源的加速上限。也有另一种可能性,即银河系中宇宙线源存在不同种类,它们给出具有差异的宇宙线能谱,打破了传统理论模型的“平衡”,其总和给出观测到的复杂能谱结构,造成了能谱上高低起伏的复杂结构。

下一步,科学家将对这两种可能进行研究分析,以期有所突破。目前在超期服役阶段的“悟空”号工作状态依然良好,正在持续积累数据,未来将陆续发表更多的观测成果,特别是对不同的核素宇宙线的能谱测量结果,将为宇宙线学科发展做出新的贡献。

(责编:张鑫、唐璐璐)

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