“悟空”九年巡天解码宇宙线起源

暗物质粒子探测卫星（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，相关论文发表在近日出版的《自然》杂志上。研究团队基于悟空号9年的在轨观测数据，首次直接观测到质子、氦、碳、氧及铁这5种宇宙线“主力军”在高能段出现的统一“刹车”信号（表现为粒子流量骤降），并揭示了宇宙线加速能量极限的电荷依赖规律。这一里程碑式的发现，为破解宇宙线起源之谜提供了重要线索。

1 宇宙线是深空里的“粒子暴雨”

看似“空虚寂寞冷”的太空，其实热闹非凡，有许许多多高能“过客”在此匆匆穿梭。它们是比流星体和空间碎片小得多、快得多、密得多的宇宙线。

宇宙线是在宇宙空间中以接近光速飞行的高能粒子或粒子流，如同在下“粒子暴雨”。在宇宙线的粒子中，99%是剥离了电子的原子核，1%是自由电子和极少量的反物质。而在占绝大多数的原子核里，大约90%是氢核（单个质子），9%是氦核，其余1%是铁核等重元素。

根据是否与地球大气作用，宇宙线可分为原宇宙线和次宇宙线。宇宙线的粒子以接近光速运行，携带了巨大的能量。当这些高能粒子抵达地球时，会与地球大气顶层的原子核猛烈相撞，引发覆盖几平方公里的“粒子雪崩”（即广延大气簇射）。简而言之，撞进大气层之前的叫原宇宙线，撞出来的“子孙后代”叫次宇宙线。

乍听之下，宇宙线似乎离我们很遥远，其实它深刻影响着地球及人类。铍、硼等轻元素和一部分锂，都是宇宙线撞击星际物质发生“散裂反应核合成”产生的。所以，当人们使用锂电池时，不妨想想这背后也有宇宙线的功劳。大家常听到的“碳14测年法”，其原理正是利用宇宙线撞击地球大气时合成的碳14的衰变规律，追溯古代生物死亡时体内碳14的水平，从而确定年代。

当然，宇宙线也有“暴躁”的一面，它携带的巨大能量能击穿电子元器件，引起“单粒子翻转”，改变指令或数据的电位，导致电路程序运行异常。这类事故最易影响航空航天设备。我国1995年发射的实践四号卫星搭载了单粒子翻转检测装置，入轨后的19天内就捕捉到65次此类事件；风云一号B气象卫星也因多次单粒子翻转事件导致姿态控制系统提前失效。

宇宙线携带的能量究竟有多高？典型的宇宙线能量在十亿到万亿电子伏之间，在1平方米的面积上，每秒能通过上万个粒子。电子伏是能量单位，代表电子经过1伏电压加速后获得的能量，几十亿电子伏的能量集中到一颗粒子上，其威力可想而知。史上最强宇宙线事件是1991年观测到的“Oh My God（我的天啊）”粒子，其速度与光速只差亿亿亿分之五，在相对论效应下，它携带的能量高达3万亿亿电子伏——相当于把一个时速150公里的网球的全部动能，集中在单颗质子上释放！

那么，宇宙线来自何方？又是如何被加速到如此高能量的？这些是科学界尚待解决的难题。目前的主流理论认为，宇宙线可能起源于超新星爆发（大质量恒星死亡时的剧烈爆发）、活动星系核（星系中心由超大质量黑洞驱动的高能天体系统）、γ射线暴（γ射线突然增强又迅速衰减的现象）等。

我国暗物质粒子探测卫星即悟空号，正是为了解开这些谜题，并寻找暗物质信号而诞生的。

2 探测宇宙线有两种方法

接近光速的宇宙线从遥远太空疾驰而来，携带着关于极端天体物理环境的珍贵信息。其能量跨度极大，单一探测方式难以覆盖全貌。于是，科学家兵分两路：一路直接探测，在太空“大海捞针”；另一路间接探测，在地面“守株待兔”。我国的悟空号正是属于前一路。

空间直接探测是在太空或高空气球上捕捉原宇宙线粒子。卫星或气球搭载磁谱仪、量能器和径迹探测器等精密设备，直接测量粒子的电荷、动量、能量和种类。例如，悟空号搭载4部有效载荷，专注于千亿到百万亿电子伏量级的高能粒子与γ射线测量；而阿尔法磁谱仪AMS-02自2011年起在国际空间站稳定运行，精确记录了十亿到万亿电子伏能区的质子、氦核及反物质。

工作在地球大气层外的探测仪器，能够清晰分辨宇宙线粒子是质子还是铁核，是正电子还是反质子，获得最真实、详细的信息，从而为研究暗物质间接信号、不同核素的加速极限、低能谱精细结构提供可靠数据。不过，空间直接探测的局限也很明显：探测器的工作面积通常只有几平方米，而宇宙线越是高能就越是稀少，很难正好撞上。空间探测器难以有效捕捉千万亿电子伏量级以上的稀有事件，并且成本高昂，难以维护，载荷和寿命也受严格限制。因此，空间直接探测更适合在中低能区“精耕细作”。

相比之下，地面间接探测能以更大的尺度应对高能宇宙线的稀缺性。前面说过，宇宙线粒子撞击地球大气顶层时，会引发覆盖几平方公里的“粒子雪崩”。科学家在地面布设大型探测阵列，捕捉这些次级电子、μ子，记录簇射产生的光子和切伦科夫辐射（高速粒子在介质中运动产生的蓝色辉光），进而反演出原初粒子的能量、方向和成分。这类探测装置的代表包括阿根廷的皮埃尔·俄歇天文台、我国四川稻城的高海拔宇宙线观测站（拉索）。前者探测阵列占地3000多平方公里，专注于百亿亿电子伏以上的超高能宇宙线；后者建在海拔4410米的海子山上，凭借高海拔优势，精确测量“膝区”（3千万亿电子伏附近的能量分布拐折）的谱形和成分。

地面探测的最大优势是接收面积巨大，能长期积累足够多的高能事件数据，并且成本相对可控，易于维护升级。但间接探测本质上是“隔雾看花”，反演重建过程高度依赖物理模型，不同模型间的差异会引入系统误差，对粒子成分的判断精度低于直接测量。

“上天”“入地”各有千秋，唯有联手才能拼出宇宙线的全貌：空间直接探测为地面实验提供低能锚点和模型校准，地面间接探测则可补足高能区的统计数据空白。

3 地球附近或有天然“超级粒子加速器”

那么，我国悟空号此次究竟有什么重要发现呢？一言以蔽之，就是它验证了丹麦物理学家伯纳德·彼得斯在1961年提出的“彼得斯循环”猜想。

这个理论简单描述就是：宇宙线中不同原子核的最大加速能量（或称“截止能量”）应与其电荷数成正比。在同一个磁场环境中，电荷较少的原子核（如质子）首先跑出界，电荷较多的原子核（如铁核）则会被约束得更久、加速得更猛，达到更高能量。随着能量升高，多种原子核按照电荷数依次“出局”，宇宙线成分从电荷较少的原子核主导变为电荷更多的原子核主导，形成彼得斯循环。

长期以来，彼得斯循环一直停留在理论层面，缺乏实验验证，主要原因是：对不同类别宇宙线能谱的测量精度不够高、能段覆盖范围不够宽、高能宇宙线的流量太低。

如今，悟空号凭借优异的电荷分辨能力、极宽的能量测量范围和足够大的探测面积，突破了上述限制，揭开了谜底。

2026年4月，悟空号团队基于2016年1月1日至2024年12月31日的9年观测数据，在《自然》杂志发表成果：首次直接观测到质子、氦、碳、氧、铁这5种宇宙线主要原子核在高能段出现统一的谱软化结构（即流量下降明显变陡）。更重要的是，团队的研究结果证实了宇宙线源加速粒子的能力确实与粒子电荷数成正比，而非与粒子质量成正比，从而为彼得斯循环提供了迄今最强有力的直接实验证据。研究表明，地球附近可能存在一个遵循电荷依赖规律的天然“超级粒子加速器”，而某些脉冲星（如双子座的杰敏卡脉冲星）可能是这类加速器的候选之一。这对理解宇宙线膝区的成因、银河系极端加速机制具有里程碑式的意义，也为解答宇宙线的来源与加速机制提供了重要线索。

4 “太空劳模”助力基础科学突破

2015年12月17日，长征二号丁火箭从酒泉卫星发射中心腾空而起，将悟空号送入距地约500公里的太阳同步轨道。这颗卫星通过对高能电子与γ射线进行高精度观测，来寻找暗物质粒子存在的证据，并通过探测万亿电子伏以上的高能粒子研究宇宙线的起源。

悟空号是中国科学院空间科学战略先导专项首发星，也是我国首颗专用空间高能天文卫星，由中国科学院主导研制。其设计寿命仅3年，却已在轨运行超过10年，累计采集约185亿个高能粒子事件，堪称“太空劳模”。每天清晨和傍晚，悟空号都会定期飞越我国上空，位于密云、喀什、三亚的3个地面站都能接收到它回传的科学数据。

与国际同类空间探测器相比，悟空号在高能区有显著优势：覆盖能段宽、能量测量准、粒子甄别能力强。它搭载了4件“神兵利器”：塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、锗酸铋量能器、中子探测器。这些设备各司其职：塑闪阵列探测器可以鉴别带电粒子与γ光子；硅阵列探测器位于塑闪阵列探测器下方，精确追踪宇宙线粒子入射方向并测量电荷；锗酸铋量能器覆盖32个辐射长度，是世界上最深的太空量能器，负责高精度能量测量；中子探测器则进一步压低质子等其他粒子的干扰，提高信号的可信度。

正是这套组合拳，使悟空号在电子和γ射线测量上可覆盖50亿到10万亿电子伏的宽广能区，粒子甄别能力国际领先，成为空间直接探测高能宇宙线的重要平台。悟空号精准记录的宇宙线粒子种类、能量、方向和电荷，为研究宇宙线起源、加速机制和银河系传播过程提供了干净可靠的数据。

悟空号的最终科学目标是探索暗物质。暗物质通过引力影响可见世界，却因为它不发光、不反光、不吸收光，极难通过电磁波直接探测。悟空号采用的是间接探测策略，寻找暗物质粒子湮灭或衰变可能产生的特征信号。高能电子和正电子是重要的信使，如果暗物质存在，其湮灭过程可能会在能谱上留下微弱却独特的“鼓包”特征。悟空号能有效区分暗物质信号与天体物理背景（如附近存在脉冲星），从而对暗物质粒子的质量和相互作用强度给出更严格的限制。

研究宇宙线究竟有什么用？宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子信使，承载着极端天体环境与基础物理的关键信息。开展宇宙线研究，既能帮助人类破解宇宙起源、粒子加速、暗物质踪迹等重大科学谜题，检验现有物理理论的极限，也能为航空航天设备抗辐射设计、高空飞行安全提供核心数据支撑，降低辐射故障风险。同时，宇宙线参与地球元素合成，是考古测年、地球环境演变研究的重要依据，相关探测技术还能带动高精度探测、微弱信号识别、抗辐射芯片等领域创新，为基础科学突破与民生技术发展提供双重动力。

悟空号取得的研究成果不仅标志着我国空间高能天文学的快速崛起，也证明了空间直接探测在高能物理研究中不可替代的价值。目前，悟空号仍在稳定运行，持续为人类揭开宇宙暗物质与高能宇宙线的谜团贡献力量。虽然它尚未发现确凿的暗物质信号，但它获取的数据已大幅压缩了暗物质可能存在的理论空间，并与国际上其他实验形成良好互补。

悟空号是人类看向深空的一双眼睛，从2015年到2026年，它用逾10年的凝视不断推动着认知边界的延伸。这场基础科学的探索，是一场漫长的马拉松，那些沿途留下的脚印拥有重要价值——从500公里高空传回的信号，连接着微观的粒子物理与宏观的星系演化。人类对太空的探索，将永不停歇。

（作者为中国科普作家协会会员）

责任编辑：王梓辰

文章来源：http://www.71.cn/2026/0513/1291626.shtml