现代快报讯 宇宙线可能是太空中最神秘的东西之一，地球无时无刻不在经受着宇宙线的轰击，但我们却不知道它们来自何方。自 1912 年宇宙线被发现以来，科学家们绞尽脑汁却无法给出答案。

2015 年，我国第一颗天文卫星 " 悟空 " 号带着这个使命出发。在距离地球 500 公里的轨道上，以日行 65 万公里的速度遨游太空，" 捕捉 " 着四面八方的宇宙线 …… 五年半以来，火眼金睛的 " 悟空 " 号取得了丰硕成果。

5 月 18 日，" 悟空 " 号国际合作组在顶级期刊《物理评论快报》上发布了宇宙线氦核的精确能谱测量最新结果。这一成果有哪些意义？成果背后又有哪些精彩的故事？5 月 19 日，中科院紫金山天文台举行 " 悟空 " 号宇宙射线成果新闻发布会。

【发布】

" 悟空 " 火眼金睛，捕获 100 亿个宇宙线

宇宙线究竟是什么？发布会现场，中科院高能物理研究所研究员毕效军介绍说，宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，是自动送上门来的宇宙深处的高能物质样品。

△毕效军

" 宇宙线中大部分是带电粒子，如：质子、α 粒子、铁核等，还有少量的中性粒子，如：γ 光子、中微子等。" 毕效军告诉现代快报记者，1912 年，奥地利物理学家赫斯通过气球实验发现了来自地球外的高能粒子。" 当时，赫斯在 5350 多米的高空中，通过 6 小时飞行，测得高空空气的电离率是地面的两倍，说明电离是由地球外面的宇宙线所致。1936 年，赫斯因这个发现获得了诺贝尔物理学奖。"

毕效军介绍说，自赫斯的发现以来，科学家们从宇宙线中不断有新的发现，获得了一个又一个 " 诺奖 "。

尽管科学家们对宇宙线不断刷新认识，但是，宇宙线是如何被加速的，它又起源于何种天体 …… 这是近百年来，科学家们想要解答的疑难问题，也被认为是 21 世纪宇宙物理学 11 个重大前沿问题之一。

怎么来破解宇宙线来源和加速之谜？目前，全世界有不同的科学手段和探测仪器。中科院紫金山天文台领衔研制的暗物质粒子探测卫星 " 悟空 " 的三大科学目标之一，就包括破解宇宙线起源和传播谜题。

△袁强

" ‘悟空’号探测器面积大、动态范围广，非常适合探测宇宙线。与世界同类探测器设备相比，" 悟空 " 观测能段宽，能量分辨高，粒子鉴别能力强。" 中科院紫金山天文台研究员袁强介绍说，截至目前，" 悟空 " 号已完成全天扫描近 11 次，积累的宇宙线事例多达 100 亿。

" 这次发布的新成果是‘悟空’号探测器所测量的氦这种原子核的能谱，宇宙线的数目随着能量的关系称为其能谱，蕴含有丰富的关于宇宙线的物理信息。" 毕效军表示，他们获取宇宙线能谱的过程跟做人口普查很类似。" 做人口普查需要知道各个年龄段的人口数，我们也要测量不同能量的宇宙线粒子有多少，再根据这些数据画出一条线。" 他指着能谱图说。

△卫星监控室

发现特别的能谱结构，做出宇宙线最精确测量

宇宙线中最主要的粒子是质子，约占 87%。其次是氦原子，约占 12%，剩下的 1% 则是各种重原子核、少量电子等。不同种类的粒子数量千差万别，这对观测宇宙线提出了极大的挑战。而 " 悟空 " 所拥有的一项看家本领就是，可以准确区分各种宇宙线粒子。

毕效军告诉现代快报记者，科学界一直认为，宇宙线呈现负幂分布。但 " 悟空 " 探测到的宇宙线分布却不一样。

利用 " 悟空 " 号收集的前两年半的数据，国际合作组获得了从 40 GeV 到 100 TeV 能段的质子宇宙线精确能谱。更为重要的是，" 悟空 " 号首次发现能谱在约 14 TeV 出现明显的拐折结构，该能量可能对应于宇宙线源的加速能力上限。近日，基于卫星前四年半的在轨观测数据，合作组获得了宇宙线氦核 70 GeV 至 80 TeV 能段的精确能谱测量结果。

" 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。" 中科院紫金山天文台博士马鹏雄告诉现代快报记者，" 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。" 这一新的拐折结构预示着，它们可能来自邻近地球的某个宇宙线加速源。"

" 暗物质卫星做出了迄今对银河宇宙线（氦核）最精确的测量，该发现可以帮助研究人员揭示银河宇宙线的起源。" 美国物理学会 " 物理 " 网站发表评论称，" 悟空 " 号的测量结果比以往任何单一实验具有更高的精度和更宽的能段覆盖。发现的不符合预期的能谱结构，将有助于揭示银河宇宙线的起源。

△卫星监控室

揭秘宇宙线源，可能来自邻近地球的超新星

这些宇宙线究竟来自于哪里呢？有科学家猜测，它们有可能是超新星爆炸后产生的。

毕效军告诉现代快报记者，根据 " 悟空 " 的探测，他们怀疑这些宇宙线来自邻近地球的超新星爆发。" 这些超新星在几百光年和几千光年的范围内。如果太远了，宇宙线不足以在能谱上鼓起一个‘包’来。"

据介绍，超新星爆发是恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸，爆炸过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，并可能持续几周至几个月才会逐渐衰减。

那么研究宇宙线源和加速，对公众来说有什么意义？毕效军解释说，科学家们研究宇宙线的最终目标是想弄清楚宇宙线的加速机制是什么？为什么能够把粒子加速到那么高的速度？" 我们平常生活中用的电压是 220 伏，而加速宇宙线粒子对应的电势差是 1000 万亿伏。什么样的环境可以产生这样强的电场？如果我们研究清楚了，也许我们加速器的专家可以借鉴一下，可以让人类也能操控粒子加速到如此高的能量。"

【幕后】

" 悟空 " 遨游太空五年半，运行良好

暗物质探测器 " 悟空 " 号是中科院空间科学战略性先导专项的首发星，也是中国首颗天文卫星。它于 2015 年 12 月 17 日发射升空，曾被《自然》杂志评价为 " 开启了中国空间科学时代 "。

△岳川

" ‘悟空’号已经在轨运行了五年半，在这背后是各个单位科学团队的细心维护。它每天传送回约 16GB 的原始数据，国内国外有专门的科学团队处理这些数据，从中分析出有价值的科学数据。" 中科院紫金山天文台副研究员岳川介绍，这是个庞大的 " 翻译 " 过程。" 首先把来自天上的二进制信号转换成物理信息，然后将这些信息拼凑到一起构建出粒子的模样。" 用岳川的话来说，为了提高准确率，他们每一步都要小心小心再小心。

" 悟空 " 号卫星载荷与科学团队成员来自天文、物理、工程等不同领域，‘翻译’成什么形式、如何保存，每次都要激烈讨论。在一次次交流碰撞中，" 悟空 " 号取得丰硕成果。今年，这个平均年龄不足 35 周岁的科学团队荣获 " 中国青年五四奖章集体 "。

" ‘悟空’号的设计寿命为三年，已于 2019 年 1 月进行首次延寿运行，为期两年。鉴于卫星运行情况良好，2020 年 11 月再次延期‘服役’一年。" 袁强告诉现代快报记者，目前 " 悟空 " 号仍然保持着良好的工作状态。他们会实时检测 " 悟空 " 号的状态，今年年底将再次进行评估，决定是否继续延寿。

" ‘悟空’号的三大科学目标是间接探测暗物质粒子、破解宇宙线起源和传播谜题、研究伽马射线天文现象，团队今后的科研仍重点围绕这三个问题开展。" 袁强说，" 悟空 " 号将继续在太空中累积科学数据，给我们带来更多惊喜。

现代快报 +/ZAKER 南京记者 胡玉梅 阿里亚 / 文 顾炜 刘畅 / 摄