怎么拐折，电荷说了算！|丰度|原子核|宇宙线起源|暗物质|电荷|磁场|粒子|能谱

北京时间2026年4月29日晚，《自然》杂志在线发表了“悟空”号暗物质粒子探测卫星宇宙射线观测新结果，发现质子、氦、碳、氧、铁等5种原子核存在统一的软化拐折（指粒子能谱斜率变得更陡）结构，且拐折的能量正比于粒子电荷，并以>99.999%的高置信度排除了另一类广泛讨论的拐折正比于质量的模型，对理解宇宙射线起源和加速提供重要观测证据。

“悟空”号观测到5种粒子统一能谱拐折结构示意图 | 图源：暗物质卫星项目组

宇宙射线的能谱

宇宙射线是广泛存在于宇宙空间的高能粒子，它们是观察宇宙的经典信使之一，携带着极端环境下天体和物理规律的重要信息。宇宙射线被发现以来已有超过百年的历史，它们的起源天体、加速机制和传播过程尚不清楚。宇宙射线的数目随能量的关系称为能谱，是研究其相关物理的关键观测量。

宇宙射线的能谱大体呈现负幂律形式，即随着能量的升高，粒子数目以能量的幂次函数形式下降，幂指数约-2.7。这一结果也对恩里克·费米于1949年提出的统计加速理论提供了支持：费米预言带电粒子被运动的磁化云块加速的过程可以自然地产生一个负幂律能谱。

宇宙射线全粒子能谱丨图源：S. Swordy, University of Chicago

然而，仔细地测量粒子能谱，特别是不同种类的粒子能谱，人们发现宇宙射线的能谱远不止负幂律谱这样简单，而是体现出各种结构，有的类似人的膝盖（即能谱斜率变陡）、有的类似脚踝（斜率变缓），人们也因此以“膝”、“踝”等命名这些结构。这些结构蕴含有关于宇宙射线起源、加速、传播等物理过程的重要信息，因此也是宇宙射线研究的重中之重。

“悟空”卫星十年巡天揭示统一拐折新结构

“悟空”号暗物质粒子探测卫星是一个专用的高能宇宙射线探测器，其主要科学目标就是通过测量各种宇宙射线的能谱和方向分布等研究宇宙射线物理并间接探测暗物质粒子。“悟空”卫星于2015年12月17日发射，已稳定在轨运行超过10年。

宇宙射线粒子的丰度和其加速源或者传播过程密切相关。其中高丰度的元素被认为主要来自源的加速过程，称作初级宇宙射线。相应地有一些相对丰度较低的元素，如锂、铍、硼等则主要来自重核在传播过程中的碎裂，被称为次级宇宙射线。利用“悟空”卫星前9年的观测数据，研究团队精确测量了宇宙射线中相对丰度较高的5种原子核的能谱，它们是质子、氦核、碳核、氧核和铁核。研究发现这5种粒子的能谱均存在非常类似的先“硬化”后“软化”的行为，看起来就像是平滑的能谱上出现了一个“鼓包”结构。

进一步分析发现，这5种粒子的“鼓包”出现的能量很好地正比于粒子电荷，而不是质量。这意味着形成“鼓包”的原因很可能和粒子在磁场中的运动过程相关，即加速或传播效应，而不是和碎裂等相互作用过程相关。

“悟空”卫星测得的5种宇宙射线能谱丨图源：Nature

邻近加速源的印记

产生这一能谱结构的原因可能有多种，比如两类加速上限不同的宇宙射线源叠加可以形成类似拐折结构，抑或不同能段宇宙射线存在不一样的传播效应也可产生能谱拐折。而最为合理的一种解释是一个邻近地球的加速源叠加在银河系大量背景源形成的平滑能谱之上，从而产生一个“鼓包”状结构。这个邻近源的能谱有别于背景源，其低能段由于尚未传播到地球而出现流量压低，高能段由于加速能力极限也存在压低，从而自然地在“鼓包”所在的能量处达到“峰值”。

背景源和邻近源叠加而形成“鼓包”结构丨图源：Nature

支持这一模型的另一证据来自于宇宙射线大尺度各向异性的观测结果。宇宙射线在磁场中偏转使其原本的方向已基本丧失殆尽，但统计来看存在着微弱的各向异性，在“悟空”号的能段各向异性程度在万分之一到千分之一的水平，反映了宇宙射线源分布非均匀所导致的密度梯度分布。观测的各向异性方位在约100太电子伏（1017 eV）能量处出现突然的翻转，高能的宇宙射线各向异性由银河系中心方向指向反银心的方向，而低能段的各向异性方向差了近180度。这一邻近源叠加背景源的模型恰好可以很自然地解释这一翻转现象。同时，各向异性的幅度随能量的变化关系也可以在该模型中得到解释。简单地说，观测上看到的能谱“鼓包”来自这两个成分的代数和，而各向异性的翻转来自这两个成分的矢量和。

大尺度各向异性的幅度和相位随能量的演化丨图源：Nature

邻近源是什么天体？

通过对观测数据的拟合，可以大概得到该邻近源的物理性质：其距离大约为1千光年，年龄约30万年，所处方位为背离银河系中心的方向。恰好有一个天体符合这些条件，这就是杰敏卡伽马射线源(Geminga)。它是一颗明亮的高能伽马射线脉冲星，位于双子座，由大约30万年前的一次超新星爆炸所形成。超新星爆炸形成的遗迹虽然今天已几乎消散，但它加速出的宇宙射线粒子却在我们的探测器中留下了明显的印记。当然这一结果还只是科学家的推测，希望未来“悟空”号和其他多波段观测设施可以进一步澄清Geminga和地球上观测到的宇宙射线能谱特征的关系，为寻找到宇宙射线的确切源头一锤定音。