在国家自然科学基金项目（批准号：12588101、12220101003、12503107）等资助下，中国科学院紫金山天文台领衔的“悟空”号暗物质粒子探测卫星国际合作组在国际上首次直接探测到质子、氦、碳、氧、铁等5种宇宙射线能谱存在统一的鼓包结构，并发现鼓包出现的位置正比于粒子电荷。这一观测结果表明存在邻近地球的宇宙射线加速源并对上世纪六十年代提出的电荷依赖加速模型给出直接观测证据，为最终解开宇宙射线起源之谜提供了关键线索。

　　该研究的相关成果以“膝区以下原初宇宙射线能谱的电荷依赖软化（Charge-dependent spectral softenings of primary cosmic rays below the knee）”为题，于2026年4月29日在线发表在《自然》（Nature）杂志，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10472-0。

　　在浩瀚无垠的宇宙空间中，存在着大量以接近光速穿行的高能粒子流，这些粒子包括各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等，统称为宇宙射线。宇宙射线被认为起源于超新星爆炸的遗迹、高速旋转的中子星、吸积的黑洞等极端天体，因此是极端条件下天体环境和物理规律的信使。人类对宇宙射线的研究已经长达一个多世纪，但关于宇宙射线的起源、加速机制以及它们在宇宙空间中的传播及相互作用等基本问题仍然没有确切的答案。精确测量宇宙射线中各种组分粒子的能谱是揭示其起源的关键途径。然而，长期以来相关实验观测的短缺成为理解这一问题的瓶颈。

　　“悟空号”暗物质粒子探测卫星是我国首颗空间天文卫星，主要通过高精度观测宇宙高能粒子和辐射来研究宇宙射线起源和传播，并间接探测暗物质粒子。卫星于2015年底发射，迄今已在轨平稳运行超过10年。与国际同类空间高能粒子探测设备相比，“悟空”号覆盖能段宽、能量测量准、区分不同粒子的能力强，在太电子伏特（太电子伏特是能量单位，记作TeV，1 TeV = 10¹² eV）以上能区具有独到的优势。基于“悟空”号卫星前9年的观测数据，研究团队精确测得了超宽能段的宇宙射线质子、氦、碳、氧和铁的能谱，首次直接探测到这5种丰度最高的宇宙射线的能谱存在统一的鼓包状结构。对于碳、氧和铁的能谱，“悟空”号测量达到的最高能量超过此前实验结果数倍，正因为此，高能段的能谱新特征才首次得以被发现。研究结果同时表明，鼓包出现的位置正比于粒子电荷，并以超过99.999%的置信水平排除了正比于粒子质量的模型。

　　结合宇宙射线大尺度各向异性观测，“悟空”号的结果表明存在一个近邻的宇宙射线加速源，多种粒子能谱的统一鼓包结构对应于该源的加速能力上限，且其上限与粒子电荷线性相关。1961年丹麦科学家Bernard Peters率先指出磁场约束环境中的粒子加速应遵循这一关系，后被称为Peters 循环。“悟空”号的观测结果首次对这一经典粒子加速模型给出直接观测证据，成为这一经典理论预测从理想模型迈向实证科学的重要一步，也为理解宇宙射线起源提供了关键数据。

图 “悟空”号观测揭示出质子、氦、碳、氧、铁核能谱的统一且电荷依赖的鼓包结构