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“悟空”号最新发现:首绘极高能段宇宙线质子能谱

2019-11-08 17:49:01 点击数:4122

暗物质卫星悟空

高能粒子在宇宙射线中的分布在一个特殊的能量片段中突然变得“陡峭而不均匀”,这意味着地球附近有一颗大质量恒星已经死亡并喷射出大量高速运动的物质,或者银河系中有不同种类的宇宙射线源。北京时间2019年9月28日,“悟空”国际合作小组在《科学进展》中公布了宇宙射线质子从40 gev到100 tev的精确能谱测量结果。这是世界上第一次空间实验被用来精确测量高达100 tev的宇宙射线的质子能谱。

人类经常通过电磁波、宇宙射线、中微子和引力波观察宇宙。地球不断受到来自外太空的高能粒子的轰击,包括各种原子核、正电子、高能伽马射线和中微子,统称为宇宙射线。

人类已经观察和研究宇宙射线一个世纪了,但是宇宙射线的起源和加速的基本问题仍然没有解决。质子是宇宙射线中最丰富的粒子,约占90%。

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,直接观测宇宙射线直到2008年才取得突破性成果。

科学家发现质子宇宙射线在大约400 GeV(1 GeV = 10亿电子伏特)时具有能谱硬化,即高能粒子的数量随着能量的减少而减少,这挑战了传统的理论模型。从那时起,科学家们开始关注质子宇宙射线能谱是否有一种新的结构,其能量范围从数百gev到数百tev(1tev=1万亿电子伏特)。

2015年底发射的中国第一颗天文卫星悟空的核心科学目标之一是精确测量宇宙射线质子和核素的能谱,并发现新的能谱结构。

在最初的两年半的工作中,“悟空”收集了大约2000万个高能质子数据。基于这些数据,“悟空”的科学家们获得了能量范围在0.04—100 tev的质子宇宙射线能谱。

中国科学院紫金山天文台研究员袁强表示,在最新的观测结果中,悟空除了证实了前人发现的数百个gev能谱的硬化结果外,还首次发现质子能谱在约14 tev处显示出明显的“软”结构。这里“软”所指的粒子数量随着能量的减少而增加。

“如果质子能谱一直以恒定的速度下降,科学家们就没有太多的空间可玩了。但现在人们发现,能谱中有一种结构,其中包含重要的物理信息。”中国科学院紫金山天文台研究员范钟毅在接受《科学日报》采访时表示,14 tev时能谱的“软”结构可能是地球附近一些宇宙射线源留下的痕迹。

“一种可能性是,在我们的太阳系附近,一颗大质量恒星曾经死亡并产生超新星爆炸,加速了大量宇宙射线。另一种可能性是银河系中有不同种类的宇宙射线源,它们的加速宇宙射线能谱不同,叠加后的总和将有一个结构。就我个人而言,我更喜欢第一种可能性。”范·钟毅说。

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