氦核研究促进了我们对宇宙射线起源和传播的理解
我们对宇宙及其神秘现象的大部分理解都基于理论解释。为了加深对遥远物体和高能现象的理解，天文学家正在研究宇宙射线，宇宙射线是由质子、电子、原子核和其他亚原子粒子组成的高能带电粒子。此类研究表明，宇宙射线包含元素周期表中我们已知的所有元素，表明这些元素起源于恒星和超新星等高能事件。此外，由于其带电特性，宇宙射线穿过太空的路径会受到星际现象和物体磁场的影响。
因此，对宇宙射线的详细观察不仅可以阐明这些粒子的起源，还可以破译超新星遗迹、脉冲星甚至暗物质等高能物体和现象的存在。为了更好地观测高能辐射，日本、意大利和美国于 2015 年在国际空间站上合作建立了量热电子望远镜 (CALET) 。
2018 年，对 50 GeV 至 10 TeV 宇宙射线质子能谱的观测表明，高能质子的粒子通量明显高于预期。这些结果偏离了传统的宇宙射线加速和传播模型，该模型假设“单幂律分布”，其中粒子数量随着能量的增加而减少。
因此，在 2022 年发表的一项研究中，包括早稻田大学研究人员在内的 CALET 团队发现，能量范围为 50 GeV 至 60 TeV 的宇宙射线质子遵循“双破幂定律”。该定律假设高能粒子的数量最初增加到 10 TeV(称为光谱硬化)，然后随着能量的增加而减少(称为光谱软化)。
进一步扩展这些观察，该团队现在发现在从 40 GeV 到 250 TeV 的广泛能量范围内捕获的宇宙射线氦光谱中的光谱硬化和软化趋势相似。
这项研究于 2023 年 4 月 27 日发表在Physical Review Letters杂志上，由日本早稻田大学的 Kazuyoshi Kobayashi 副教授领导，以及同样隶属于早稻田大学的 CALET 项目首席研究员名誉教授 Shoji Torii 的贡献和意大利锡耶纳大学的研究助理 Paolo Brogi。
“ CALET 已经成功观测到宇宙射线氦的能谱结构，特别是从 1.3 TeV 左右开始的光谱硬化，以及从 30 TeV 左右开始的软化趋势，”小林说。
这些观测基于 CALET 在 2015 年至 2022 年期间在国际空间站 (ISS) 上收集的数据。代表迄今为止宇宙氦核粒子的最大能量范围，这些观测为粒子通量与单一功率的偏差提供了额外的证据-法律模型。研究人员注意到，与预期幂律分布的偏差与平均值相差超过八个标准偏差，表明这种偏差偶然发生的可能性非常低。
值得注意的是，在该数据中观察到的初始光谱硬化表明，可能存在负责将氦核加速和传播到高能的独特来源或机制。这些光谱特征的发现也得到了暗物质粒子探测器最近的观测结果的支持，并对我们目前对宇宙射线的起源和性质的理解提出了质疑。
“这些结果将大大有助于理解超新星遗迹中的宇宙射线加速和传播机制，”Torii 说。
这些发现无疑增强了我们对宇宙的理解。即使在我们准备载人登月和火星任务时，宇宙射线粒子的能量分布也可以让我们进一步了解太空辐射环境及其对宇航员的影响。
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