“悟空”号最新发现:首绘极高能段宇宙线质子能谱

2019-10-02

  宇宙射线中的高能粒子分布,在某个特殊能段,突然变得“陡峭不平”,这意味着,在地球附近有一颗已经死亡并抛射出大量高速运动物质的大质量恒星,或者在银河系中存在着不同种类的宇宙线源。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》)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。

  暗物质卫星“悟空”号,受访者供图

  人类往往通过电磁波、宇宙线、中微子和引力波观察宇宙。而地球时刻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。

  人类对宇宙线的观测和研究已经长达一个世纪,但其起源、加速等基本问题依然悬而未决。质子是宇宙线中丰度最高的粒子,占比约90%。

  对质子能谱的精确测量,有助于理解宇宙线物理的基本问题。由于巨大的技术挑战,宇宙线的直接观测直到2008年才取得突破性成果。

  科学家们发现,质子宇宙线在约400GeV(1GeV=10亿电子伏特)处存在能谱变硬,即高能粒子数目随能量的降低速率变缓,这对传统理论模型带来了挑战。从那时起科学家们开始关注数百GeV至数百TeV(1TeV=1万亿电子伏特)能段中质子宇宙线能谱是否存在新的结构。

  2015年底发射的我国首颗天文卫星“悟空”号,其核心科学目标之一就是对宇宙线质子以及核素能谱进行精确测量,发现新的能谱结构。

  在前两年半的工作时间中,“悟空”共收集到约2000万个高能质子数据。基于这些数据,“悟空”号的科学家们获得了0.04—100 TeV能段的质子宇宙线能谱。

  中科院紫金山天文台研究员袁强表示,在最新的观测结果中,除了证实前人发现的数百GeV处的能谱变硬结果,“悟空”号还首次发现了质子能谱在约14 TeV出现明显的能谱变“软”结构。这里的“软”指的粒子的数量随能量的下降速率变快。

  “如果质子能谱一直是匀速下降的,科学家就没有太多的发挥空间。但现在发现能谱中有结构,这蕴含着重要的物理信息。”中科院紫金山天文台研究员范一中接受科技日报记者采访时表示,14 TeV处能谱变“软”的结构很可能是地球附近个别宇宙线源留下的印记。

  “一种可能是,在我们太阳系附近,曾经有一颗大质量恒星死亡后产生超新星爆炸,并加速出大量的宇宙射线。还有一种可能是,银河系中宇宙线源存在不同种类,它们加速出的宇宙线能谱不同,叠加之后的总和就会出现结构。我个人更认可第一种可能。”范一中说。(金凤

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