一百多年來，科學家一直試圖理解宇宙射線，這些極其強大的粒子以極高的能量穿越宇宙。儘管經過數十年的研究，關於它們的來源以及如何被加速的問題仍有許多未解之謎。現在，與暗物質粒子探測器（DAMPE）太空望遠鏡合作的研究人員發現了一個重要的新線索。他們的研究結果發表在《自然》期刊上，揭示了這些神秘粒子共有的特徵，並可能幫助科學家更好地理解它們的起源。

宇宙射線是自然界中觀測到的最高能量粒子。它們攜帶的能量遠超過地球上最先進加速器產生的粒子。科學家認為，它們是由宇宙中最劇烈的事件產生的，包括超新星爆炸、黑洞噴流和脈衝星。

DAMPE 太空望遠鏡於 2015 年 12 月發射升空，旨在研究宇宙射線的性質並探索與暗物質的潛在關聯。該任務包括來自日內瓦大學（UNIGE）核與粒子物理學系（DPNC）天體物理學小組的重大貢獻。

透過檢驗 DAMPE 收集的高度精確數據，研究人員發現了從輕質質子到更重的鐵原子核等主要宇宙射線核的能量譜中存在一個普遍的模式。

「宇宙射線主要由質子組成，但也包含氦、碳、氧和鐵的原子核，」日內瓦大學科學學院 DPNC 副教授、該研究的共同作者 Andrii Tykhonov 解釋道。「這些粒子也根據其能量進行分類：低能量，最高幾十億電子伏特；中等能量，從幾十億到幾千億電子伏特；高能量，從一萬億電子伏特及以上。」

科學家發現共享的宇宙射線模式

研究表明，對於研究的每種類型的原子核，在達到特定閾值後，粒子的數量開始急劇下降。科學家將這種現象稱為「頻譜軟化」。

正常情況下，隨著能量的增加，高能量宇宙射線變得越來越少。然而，DAMPE 的觀測顯示，在剛度約為 15 TV（太電子伏特）之後，下降變得急劇陡峭。剛度描述了粒子路徑抵抗磁場彎曲的強度。

由於這種相同的特徵出現在許多不同類型的粒子中，這些發現強烈支持表明宇宙射線的加速和在空間中的運動是由剛度控制的理論。同時，數據在很大程度上排除了基於每核子能量（能量除以粒子中的核子數）的競爭性解釋。根據研究人員的說法，對這些替代模型的信心水平達到了 99.999%。

人工智慧和先進探測器助力發現

來自日內瓦的研究人員在這次突破中扮演了重要角色。該團隊開發了複雜的人工智慧方法來重建望遠鏡探測到的粒子事件。他們還為質子和氦通量的重要測量做出了貢獻，並協助分析碳原子核數據。

此外，日內瓦團隊領導了 DAMPE 的關鍵儀器之一——矽鎢追蹤器（STK）的開發。該探測器對於準確追蹤粒子路徑和確定入射宇宙射線的電荷至關重要。

這些發現標誌著在理解宇宙射線的產生方式及其在星系中傳播方式方面取得了重要進展。科學家表示，新的結果對現有的天體物理源粒子加速模型施加了更嚴格的限制，並增進了我們對高能粒子如何在星際空間中移動的理解。