宇宙射线的起源与加速机制，一直是天文学领域悬而未决的重大问题。近日，我国“悟空”号暗物质粒子探测卫星（DAMPE）在《自然》杂志发表最新研究成果，为破解这一谜题提供了关键线索。研究团队通过分析卫星前9年的观测数据，首次直接探测到多种宇宙射线粒子能谱在高能段存在统一“鼓包”结构，并揭示了宇宙射线加速能量极限与粒子电荷的关联规律。
宇宙射线是宇宙空间中以接近光速运动的高能粒子流，包含原子核、正负电子、伽马射线和中微子等。它们被认为诞生于超新星遗迹、中子星和黑洞等极端天体环境，是研究极端物理条件的天然探针。尽管人类已持续研究宇宙射线超百年，但其起源、加速机制及传播过程仍存在诸多未解之谜。粒子能谱——即粒子数目随能量变化的曲线——是破解这些问题的核心线索，但此前国际上对不同种类宇宙射线能谱的联合测量精度不足，难以发现潜在规律。
“悟空”号作为我国首颗空间天文卫星，自2015年发射以来已在轨运行超10年，累计记录约185亿个高能粒子事件。该卫星凭借宽能段覆盖、高能量分辨率和强粒子鉴别能力，在万亿至千万亿电子伏特能区具有独特优势。研究团队基于其观测数据，精确测定了质子、氦、碳、氧和铁等5种丰度最高宇宙射线粒子的能谱，首次发现这些粒子在高能段均呈现显著的“鼓包”结构（如图1所示）。其中，碳、氧和铁的测量能量上限较以往提升近10倍，为发现这一新特征奠定了基础。
进一步分析表明，能谱“鼓包”出现的位置与粒子电荷成正比，而与粒子质量无关。研究以超过99.999%的置信度排除了质量依赖模型（如图2所示），证实了宇宙射线加速能量极限遵循电荷依赖规律。这一发现与1961年丹麦物理学家Bernard Peters提出的理论预测一致——在磁场约束环境中，粒子加速能力应与电荷数成正比，该理论被称为“Peters循环”。然而，受限于此前探测器的性能，这一关系长期缺乏实验验证。
结合宇宙射线大尺度各向异性观测数据，研究团队提出新模型：存在一个近邻的宇宙射线加速源，其加速能力上限导致了多种粒子能谱的统一“鼓包”结构（如图3所示）。这意味着，宇宙射线源对粒子的加速能量存在电荷相关的上限，电荷越高的粒子可被加速至更高能量。这一结论为理解宇宙射线加速机制提供了直接观测证据，也解释了为何高电荷重离子（如铁核）能被加速到比轻离子（如质子）更高的能量。
目前，“悟空”号探测器状态稳定，将持续积累数据以深化研究。该成果由中科院紫金山天文台、中国科学技术大学、中科院近代物理研究所、高能物理研究所及瑞士、意大利等多国科研机构合作完成，得到国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划等项目支持。
