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。中国科普作家协会会员雷淼介绍，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。

宇宙线撞击地球示意图

（1）宇宙线是深空里的“粒子暴雨”

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。

宇宙线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。

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。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，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。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。

相比之下，地面间接探测的装置有阿根廷的皮埃尔·俄歇天文台、我国四川稻城的高海拔宇宙线观测站（拉索）等。其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。缺陷是“隔雾看花”，高度依赖物理模型，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。

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

暗物质粒子探测卫星（悟空号）模型

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。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个地面站每天都能接收到它回传的科学数据。

悟空号搭载了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。

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。虽然悟空号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。

（供图：视觉中国）

来源：北京日报客户端