悟空號發現宇宙射線硼/碳比能譜新結構並挑戰經典宇宙線傳播模型

暗物質粒子探測衛星悟空號國際合作組利用衛星前六年觀測數據分析得到10GeV/n到5.6TeV/n能段宇宙射線硼/碳比和硼/氧比的精確測量結果，並發現能譜新結構。

宇宙射線是來自外太空的高能粒子，包括各種原子核、電子、高能伽馬射線和中微子等。自從1912年赫斯（Victor Hess）發現宇宙射線以來，人類對它的觀測和理論研究已經長達一個世紀。但時至今日，關於宇宙射線的起源、加速機制以及它們在星際之間和星系際之間中的傳播及相互作用等基本問題依然沒有得到徹底的解答。

在宇宙射線中，碳核、氧核等屬於恆星核合成過程中產生的原始粒子，而硼核則主要是碳核、氧核在傳播過程中和星際物質發生碰撞後產生的次級粒子。因此，通過對宇宙射線中硼/碳（B/C）和硼/氧（B/O）流量比的精確測量可以研究宇宙射線在傳播路徑上的相互作用過程。上個世紀40年代至60年代建立起來的經典的宇宙線傳播模型預測B/C和B/O隨能量的變化服從單一冪律分佈，且譜指數應為-1/3或-1/2。 近些年的直接觀測實驗發現宇宙射線B/C在百GeV/n以下能區確實符合單一冪律分佈，其譜指數非常接近-1/3，是建立於1941年科爾莫戈羅夫 （Kolmogorov）星際介質湍流理論的直接證據。但在更高能區，尤其是TeV/n以上，前述實驗因測量精度的限制無法給出準確的探測結果，不能對現有的宇宙射線傳播模型給出有效檢驗。

中國第一顆高能粒子觀測衛星悟空號，它的核心科學目標除了通過對電子宇宙射線和伽馬射線的觀測來間接探測暗物質粒子，還包括通過探測宇宙射線核素粒子來研究宇宙線的加速和傳播機制。和國際上其它類似探測設備相比，悟空號覆蓋能段寬、能量測量準、粒子鑑別強，特別是具備優異的電荷分辨本領，可以對高能宇宙線核素粒子進行高精度鑑別。

2022年10月14日，基於其收集到的前六年觀測數據，悟空號國際合作組獲得10 GeV/n到5.6 TeV/n能段的B/C和B/O的精確測量結果（上圖）這是國際上首次實現對1 TeV/n以上B/C和B/O進行精確測量，能量上限比阿爾法磁譜儀（AMS-02）實驗高出五倍。悟空號的探測結果顯示在寬能段範圍內B/C和B/O明顯偏離單一冪律分佈的行為特徵。

悟空號首次以高置信度發現宇宙線B/C和B/O在相同能量（約100 GeV/n）處出現變硬的行為，意味著經典的宇宙射線傳播理論需要進行重要的修改。該結果對揭開宇宙射線的傳播機制以及星際介質的湍動屬性具有十分重要的意義，也意味著之前基於反物質宇宙射線的暗物質間接探測的天體物理背景需要重新估計。

【圖：DAMPE Collaboration；文：節錄自中國科學院紫金山天文台網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2022年10月14日已經出版的《科學通報》期刊；標題是：Detection of spectral hardenings in cosmic-ray boron-to-carbon and boron-to-oxygen flux ratios with DAMPE