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AMS测量精度突破 宇宙元素起源研究迎来拐点

作者:eric 时间:2026-06-25
导读:丁肇中主持的AMS实验团队发布了迄今精度最高的五种宇宙线重核测量结果,山东科研团队历时六年从两千五百亿条数据中筛选出百万样本,完成了这项里程碑工作。现有主流宇宙线分类模型被这套新数据推翻,人类对宇宙元...

丁肇中主持的AMS实验团队发布了迄今精度最高的五种宇宙线重核测量结果,山东科研团队历上海博士直接落户条件,undefined时六年从两千五百亿条数据中筛选出百万样本,完成了这项里程碑工作。现有主流宇宙线分类模型被这套新数据推翻,人类对宇宙元素起源的追问,走到了新的岔路口。为什么偏偏是这次测量,能捅破现有理论的窗户纸?

宇宙线元素丰度能谱图与恒星、星云示意图 :展示20种宇宙线元素的初级次级成分能谱

从2500亿到100万:数据筛选背后的硬核挑战

AMS探测器在国际空间站已经运行超过15年,累计记录的宇宙线数据超过2500亿条。但这次研究的五种元素磷、氯、氩、钾、钙,在宇宙线中本来就非常稀少,能筛选出来的目标样本只有100万个,相当于每25万条数据才能找到一个合格样本。

这不是简单的大海捞针,更像是在一堆碎玻璃里找特定的一颗沙粒。更大的麻烦还在后面:重原子核无论穿越星际空间还是进入探测器,都会和周围物质发生碰撞碎裂。

一个铁核穿过探测器外层材料时,可能会碎裂成氯或者氩,这就给探测器制造了“假信号”——你看到的氯,可能根本不是来自宇宙的“原装货”,只是探测器里撞出来的次级碎片。

许伟伟团队花了近六年时间,核心要解决的就是这个“身份认证”问题。他们反复核算不同原子核的碎裂概率,一点点剥离背景噪声带来的干扰,最终首次把测量能量范围推进到了万亿电子伏级别。

万亿电子伏是什么概念?这相当于把一个电子加速到足以击穿一厘米厚的钢板,人类此前从来没有在这么宽的能量范围内拿到过这五种元素的精确数据。

宇宙星轨模拟图 :呈现带发光星体的环形宇宙星轨效果

打破认知:每个元素都有两种身世

此前科学界的主流认知,是这些重核元素要么是“原装出厂”的初级成分,直接来自恒星爆炸喷射;要么就是更重原子核碎裂产生的次级碎片,非此即彼。但这次高精度测量的结果,完全推翻了这个二元分类逻辑。

研究结果明确显示:这次测量的五种元素,每一种都同时含有初级和次级两种成分,不存在绝对的“非此即彼”。更有意思的规律随之浮现:偶数质子数的氩和钙,初级成分占比显著高于奇数质子数的磷、氯、钾。

这个差异其实藏着核物理最基础的底层逻辑:偶数质子数的原子核,结合能更高,在恒星内部更稳定,超新星爆炸的时候更容易保持完整,经过几十亿年的星际旅行还能保持“原装”抵达地球。

而奇数质子数的原子核本身稳定性更差,更容易在漫长穿越中不断碰撞碎裂,所以原装留下的初级成分就少了很多。这个规律简单清晰,却从来没有被高精度测量数据证实过。

元素类型

初级成分占比

稳定性

偶数质子数(氩、钙)

显著更高

恒星内部更稳定

奇数质子数(磷、氯、钾)

相对更低

更容易碎裂解体

把这个规律放到已经测量过的全部20种宇宙线原子核中验证,团队发现这套规律完全成立。由此,他们提出了一套全新的四分类体系:两类初级成分加两类次级成分,所有已经测量过的原子核都能归入其中。

国际空间站与AMS探测器 :标注出空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)

新分类体系 给现有理论出了难题

这套四分类体系,和现在主流的宇宙线理论模型存在明显矛盾。要知道,AMS这次的数据精度前所未有,这种偏差绝对不是测量误差导致的,它指向了某种我们至今还没理解的宇宙物理机制。

从大爆炸开始,宇宙最初只有氢和少量氦,所有比铁轻的元素,都是恒星内部核聚变“炼”出来的,超新星爆炸再把这些元素抛撒到星际空间,成为形成新恒星和行星的原料。我们身体里的钙、骨头里的磷,本质上都是几十亿年前恒星爆炸留下的星尘。

我们从哪里来?这个问题的答案,藏在这些星尘的分布规律里。

这次拿到的元素丰度和能谱数据,相当于给所有宇宙元素起源理论立了一把刚性标尺——任何理论模型,都必须能 fitting 上这批高精度数据才行。不符合的,就得修改甚至被推翻。

山东高等技术研究院不仅承担了这次核心分析工作,还建成了世界上规模最大的宇宙线公共科学数据库,全球大部分AMS仿真工作都是在这里完成的。这支平均年龄不到35岁的年轻团队,已经在这个领域啃了十几年硬骨头。

宇宙元素生成undefined演化示意图 :展示恒星核聚变到超新星爆发的元素演化

跨越32年的追问 才刚刚走到中场

从1994年丁肇中首次提出AMS构想到今天,这场追问已经走了32年。2011年探测器升空到现在,也已经积累了超过十年的在轨数据。现在探测器即将迎来重大升级,升级后每年采集的高能宇宙线数据量,会达到现在的三倍。

接下来,钪、钛、钒、铬、锰这些更重的元素,也会迎来精确测量。一颗颗恒星爆炸留下的“宇宙遗言”,正在被人类逐字逐句地解读。

有意思的是,这次成果的最大意义,不仅仅是发现了新规律,更是提出了新问题:为什么现有的主流理论解释不了这套分类体系?那个缺失的物理机制到底是什么?

科学进步从来都是这样:旧的答案被新的数据推翻,新的问题又会带着人类走向更深的未知。

400公里高空的探测器还在稳定运行,两千五百亿条数据里筛选出的百万个样本,已经帮我们推开了宇宙元素起源的新大门。我们过去以为已经把宇宙线的家谱理清楚了,现在才发现,原来家谱的排序规则,和我们之前想的完全不一样。

这场跨越三十年的追问,本质上是人类对“我们从哪里来”这个终极问题的永恒好奇。中国年轻科研团队在这场国际合作中写下关键篇章,而故事才刚刚翻到最有悬念的那一页。

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