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视频|暗物质卫星“悟空”发布新成果,挑战“费米加速理论”
2021/05/19 22:44  交汇点  

  交汇点讯 5月19日,“悟空”号合作组在中国科学院紫金山天文台发布宇宙射线氦核的精确能谱测量最新结果,结果显示,“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,这将有助于揭示高能宇宙线的起源以及加速机制。

  宇宙射线的前世今生

  什么是高能宇宙射线?中科院高能物理所研究员毕效军介绍,宇宙线于1912年由奥地利物理学家海斯通过气球实验发现。当时,他乘坐热气球升到5300米高空中测量高空中的空气电离率,发现高空中的空气电离率比地面高两倍之多。因而,他提出猜想,一定是来自地球外的粒子在轰击空气。他的猜想得到证明并于1936年获得了诺贝尔物理学奖。

  “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。”毕效军说,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过程,因此它们也是极端条件下天体环境和物理规律的信使。

  宇宙线领域存在着两大难题,即起源与加速之谜。宇宙线产生于什么天体?它们又是如何被加速的?以往的观测表明宇宙线能谱中存在偏离单一幂率分布的拐折,被戏称为宇宙线的“膝盖”和“脚踝”,它们背后又有着怎样的成因?这些问题很难通过目前的地面实验直接给出答案,依靠空间测量能力的不断提升有可能产生新的突破。

  “悟空”号取“真经”:最精确的氦核能谱

  清楚宇宙高能射线的概念之后,中科院紫金山天文台研究员袁强介绍了此次“悟空”号探测的最新成果。他介绍,人类对宇宙线的观测和研究已经长达一个世纪,但时至今日,关于宇宙线的起源、加速机制以及它们在宇宙空间中的传播及相互作用等基本问题仍然没有得到彻底的解答。

  袁强告诉记者,“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,也是中国首颗天文卫星,它从2015年发射至今相继在电子、质子和氦核宇宙线测量方面取得国际领先的成果,标志着我国的空间高能粒子探测研究已跻身世界最前列。卫星迄今已稳定运行5年半,目前状态良好,正不断积累宝贵的高质量观测数据。

  近日,基于卫星前四年半的在轨观测数据,“悟空”号国际合作组获得了宇宙线氦核70GeV至80TeV能段的精确能谱测量结果。氦核和质子是宇宙线中丰度最高的两种粒子,其数目占宇宙线的约99%,通过探测氦原子核在整个宇宙空间里的能量分布,科学家们有望理解存在极端的天体物理环境里的宇宙线究竟是如何运作的。

  “悟空”号卫星所进行的实验,类似于宇宙空间里的能量“普查”,袁强解释道,“通过人口普查,我们可以知道社会里的老年人口、中年人口比例,反映出社会的一些结构性的问题。我们科学家也是在做类似的事情,通过测量宇宙射线的高能粒子和低能粒子数量,我们可以研究宇宙射线里的一些结构性问题,包括宇宙线如何获得加速,以及它的源头是什么这些宇宙物理学里的经典问题”。

  和以往实验相比,“悟空”号的实验覆盖率和测量精确度显著提高,在能量测量的分辨率、高能粒子识别能力、探测面积等方面都处于国际领先的水平。正由于“悟空”号对宇宙线的测量结果达到了能量段更宽、精度更高、粒子更纯净的效果,科学家发现了能谱新结构。紫金山天文台马鹏雄博士特别指出,此次发布的氦核能谱体现出了与质子能谱非常类似的行为,这预示着它们存在共同的起源,它可能来自邻近地球的某个宇宙线加速源。

  重大新成果:“费米加速理论”的对与错

  “悟空”号新取得的重要成果不仅在于在氦核上看到了和质子非常类似的结构,更重要的是,二者能谱拐折的位置近似正比于其电荷,这意味着拐折能量很可能对应着邻近地球的射线源的加速上限。“悟空”号取得的结果让我们对宇宙射线的理解向前迈近了一大步。1949年费米提出,宇宙线在银河系中被加速之后预期应该形成幂律能谱分布。“悟空”号测量的宇宙线能谱与理论中的幂率大致吻合,但是在测量足够精确的情况下,能谱结果和“费米加速理论”预言的单一幂律分布相比出现了一定偏离,这说明了传统的“费米加速理论”需要一定程度的修正和更新。

  宇宙线的起源和加速,以及它在星系里的传播,是“悟空”号实验致力解决的主要问题之一。尽管目前还无法得出完整的答案,研究者们相信通过多种途径的探索,能够逐渐解开这些复杂的、层层耦合的宇宙物理学问题。“开启了中国空间科学时代,‘悟空’号当之无愧!”云南大学教授张力评价说,目前有空间、地面的宇宙线实验在开展,新的观测成果源源不断,“希望我国的宇宙线研究能够取得丰硕成果,推进宇宙线物理的进步。”

  “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。

  新华日报·交汇点记者 张宣 蔡姝雯 实习生 王哲楷

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责编:王娣

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