近日，“悟空”号首席科学家常进院士领导的国际科学团队在宇宙线观测研究方面取得重要成果。研究团队基于“悟空”号九年的在轨观测数据，首次直接观测到质子、氦、碳、氧及铁五种宇宙线原子核能谱存在统一的软化拐折结构，并发现宇宙射线加速能量极限的电荷依赖规律，为揭开宇宙射线起源之谜提供了重要线索。相关论文以“Charge-dependent spectral softenings of primary cosmic-rays below the knee”为题于4月29日在线发表于国际学术期刊《自然》。

宇宙射线被认为起源于超新星爆炸的遗迹、高速旋转的中子星、或者吸积的黑洞等极端天体，是研究极端天体环境和物理规律的“信使”。人类研究宇宙线已逾百年，但其起源、加速机制及传播过程等基本问题仍未得到彻底解答。1961年，丹麦科学家Bernard Peters指出，宇宙线粒子在磁场约束环境中加速，其能量上限应与电荷呈线性关系，这一预言被称为“Peters Circle”，奠定了后续所有电荷依赖模型的基石。然而，受限于对不同类别宇宙线能谱的测量精度不足、能量覆盖范围有限，且高能宇宙线流强低，这一关系长期未得到实验验证。“悟空”号凭借优异的电荷分辨能力、极宽的能量测量范围和大探测面积，使探究这一问题成为可能。

“悟空”号是中国科学院空间科学战略先导专项首发星，也是我国首颗空间天文卫星，主要通过对空间高能宇宙线进行直接观测而间接寻找暗物质粒子。卫星于2015年底发射，已在轨平稳运行超过10年，下传了约185亿个高能粒子数据。与国际同类空间高能粒子探测设备相比，“悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、粒子甄别能力强，在万亿至千万亿电子伏特能区（电子伏特是能量单位，记作eV；可见光光子的能量约为几eV）具有独到的优势。

图1：悟空号测量的质子、氦、碳、氧、铁核能谱（图中红点）和其他实验结果对比。图中可以清晰地看到5种粒子存在统一的能谱拐折结构。来自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

“悟空”号国际合作组基于9年的观测数据，完成了质子、氦、碳、氧和铁五种丰度最高的宇宙线原子核能谱特征分析。首次直接探测到它们在高能段存在共同且显著的“鼓包”状结构（图1）。其中碳、氧和铁的测量的最高能量较以往提升近10倍，这是上述高能段能谱新特征得以被发现的关键。研究结果同时表明，能谱“鼓包”结构出现的位置正比于粒子电荷，并以超过99.999%的置信水平排除了正比于粒子质量的模型（图2）。

图2：拐折能量正比于粒子电荷（左图）而非粒子质量（右图）。来自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

“悟空”号的本次结果与其它对宇宙射线大尺度各向异性观测相结合，表明地球邻近区域存在重要的宇宙射线加速源，该源的贡献在~15 TV（15万亿伏特）处占主导，多种粒子能谱中统一的软化拐折结构对应了源的加速能力上限（图3）。“悟空”号的这一观测，首次对上世纪六十年代提出的粒子加速模型给出直接证据，为理解宇宙射线起源问题做出了重要贡献。

图3：解释悟空号能谱拐折和宇宙射线大尺度各向异性的邻近源模型（实线）和传播模型（虚线）。来自DAMPE collaboration, 2026, Nature。

此项成果由我校与中国科学院紫金山天文台、近代物理研究所、高能物理研究所以及瑞士日内瓦大学、意大利多家研究机构共同完成。其中，科大团队是DAMPE国际合作组内的平行分析团队。物理学院黄光顺教授、张云龙教授和魏逸丰副教授团队围绕碳、氧、铁三种宇宙线原子核展开了持续深入的研究，作出了突出贡献。该团队在合作组中率先开展了碳和氧宇宙线分析，相关工作也是武利波（现为深空探测实验室副研究员）的博士论文课题。铁是原初宇宙线中丰度最高的重原子核，容易碎裂且电荷分辨难度大，孙浩然、聂宇和陈沛东三位博士生就此开展了系统性攻关，大大加速了合作组内不同分析小组结果的收敛。

该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院的大力支持。

“悟空”号的载荷核心分系统BGO量能器由原核探测与核电子学国家重点实验室研制。自2009年起，该实验室作为重要成员参与了卫星工程前期论证和预研工作，并完成了地面原理样机研制。2012年“悟空”卫星工程正式立项后，该团队攻克了“BGO晶体大动态范围读出”关键技术难题，成功研制了BGO量能器。2015年暗物质粒子探测卫星科学合作组正式成立，该实验室师生在科学合作组中承担了重要研究任务，深入参与“悟空”卫星在轨探测和科学数据分析工作。系列重要物理成果的陆续产出，也充分印证了该团队研制的BGO量能器性能优异、质量可靠。