天文学家被神秘的超高能量宇宙射线震惊了：这到底是怎么回事？

犹他大学的天体物理学家和望远镜阵列探测到了能量超出理论极限的宇宙射线，这对粒子物理学的现有认识提出了挑战。这些发现，包括 Oh-My-God 粒子和天照粒子，都指向未知的宇宙现象，是目前研究的重点。

新发现的'天照粒子'仅次于'Oh-My-God 粒子'，它加深了人们对稀有超高能量宇宙射线的起源、传播和粒子物理学的神秘感。

1991年，犹他大学的'飞眼'实验探测到了有史以来观测到的最高能量宇宙射线。这种宇宙射线后来被称为 Oh-My-God 粒子，它的能量震惊了天体物理学家。银河系中没有任何东西有能力产生这种粒子，而且这种粒子的能量超过了理论上从其他星系射向地球的宇宙射线的能量。简而言之，这种粒子不应该存在。

此后，望远镜阵列观测到了 30 多条超高能量宇宙射线，但没有一条接近 Oh-My-God 级别的能量。观测结果还没有揭示它们的起源，也没有揭示它们是如何到达地球的。

望远镜阵列实验的表面探测器阵列观测到的极高能宇宙射线（名为'天照粒子'）的插图。资料来源：大阪都立大学/L-INSIGHT、京都大学/竹重龙之介

2021年5月27日，望远镜阵列实验探测到了第二高的极高能宇宙射线。这种亚原子粒子的能量为 2.4 x 1020eV，相当于从腰部高度往脚趾上扔一块砖头。在犹他大学和东京大学的领导下，望远镜阵列由 507 个表面探测器站组成，以正方形网格排列，面积达 700 平方公里（约 270 英里），位于犹他州西部沙漠的三角洲外。该事件触发了望远镜阵列西北区域的 23 个探测器，飞溅范围达 48 平方公里（18.5 英里）。它的到达方向似乎来自本虚空，本虚空是与银河系接壤的一片空旷空间。

'这些粒子能量很高，应该不会受到银河系和银河系外磁场的影响。你应该能够在天空中指出它们来自哪里，'美国加州大学望远镜阵列联合发言人、该研究的合著者约翰-马修斯（John Matthews）说。'但是，在 Oh-My-God 粒子和这种新粒子的情况下，你可以追踪其轨迹找到它的源头，但并没有什么高能量足以产生它。这就是其中的奥秘--到底发生了什么？'

国际合作研究人员于 2023 年 11 月 24 日在《科学》杂志上发表了他们的观察结果，其中描述了这种超高能量宇宙射线，评估了它的特征，并得出结论：这种罕见现象可能遵循了科学未知的粒子物理学。研究人员以日本神话中的太阳女神命名它为'天照粒子'。研究人员使用不同的观测技术探测到了'Oh-My-God'和'天照'粒子，证实了这些超高能量事件虽然罕见，但却是真实存在的。

艺术家绘制的超高能量宇宙线天文学插图，与受电磁场影响的较弱宇宙线形成对比，以阐明能量极高的现象。资料来源：大阪都立大学/京都大学/竹重龙之介

'这些事件似乎来自天空中完全不同的地方。这不像是有一个神秘的源头，'该研究的合著者、京都大学教授约翰-贝尔茨（John Belz）说。'这可能是时空结构的缺陷，也可能是宇宙弦的碰撞。我的意思是，我只是吐槽人们提出的疯狂想法，因为没有常规的解释。'

宇宙射线是剧烈天体事件的回声，这些天体事件将物质剥离成亚原子结构，并以接近光速的速度将其抛向宇宙。从本质上讲，宇宙射线是由正质子、负电子或整个原子核组成的能量范围广泛的带电粒子，它们在太空中穿梭，几乎无时无刻不在向地球倾泻。

宇宙射线撞击地球的高层大气，炸开氧气和氮气的原子核，产生许多次级粒子。这些粒子在大气层中飞行很短的距离，然后重复这一过程，形成由数十亿次级粒子组成的阵雨，散落到地表。这种二次粒子雨的足迹非常大，需要探测器覆盖与望远镜阵列一样大的区域。表面探测器利用一套仪器为研究人员提供每条宇宙射线的信息；信号的时间显示了其轨迹，撞击每个探测器的带电粒子的数量显示了主粒子的能量。

由于粒子带有电荷，它们的飞行轨迹就像弹球机中的小球，在宇宙微波背景的电磁场中'之'字形飞行。要追踪大多数宇宙射线的轨迹几乎是不可能的，因为它们处于能量谱的中低端。即使是高能宇宙射线也会被微波背景扭曲。具有 Oh-My-God 和天照能量的粒子在星际空间爆炸时相对不会弯曲。只有最强大的天体事件才能产生它们。

'人们认为能量很高的东西，比如超新星，能量远远不够。'马修斯说：'需要巨大的能量、非常高的磁场来限制粒子，同时让它加速。'

超高能量宇宙射线必须超过 5 x 1019 eV。这意味着单个亚原子粒子所携带的动能与大联盟投手的快球相同，其能量是任何人造粒子加速器所能达到的能量的数千万倍。天体物理学家计算出的这一理论极限被称为格莱森-扎策平-库兹明（GZK）分界线，是质子在微波背景辐射的相互作用带走其能量之前能够保持的最大远距离能量。已知的候选源，如活动星系核或黑洞吸积盘发射的粒子射流，往往距离地球超过1.6亿光年。新粒子的 2.4 x 1020 eV 和 Oh-My-God 粒子的 3.2 x 1020 eV 很容易就超过了这个值。

研究人员还分析了宇宙射线的成分，以寻找其起源的线索。与由氢原子质子组成的较轻粒子相比，铁核等较重粒子更重，电荷更多，在磁场中更容易弯曲。这种新粒子很可能是质子。粒子物理学认为，能量超过 GZK 临界点的宇宙射线太强大了，微波背景无法扭曲它的轨迹，但回溯它的轨迹却指向了虚空。

贝尔茨说：'也许磁场比我们想象的要强大，但这与其他观测结果不符，其他观测结果表明磁场不够强大，不足以在这些10到20电子伏的能量下产生明显的曲率。这是一个难解的谜团。'

望远镜阵列在探测超高能量宇宙射线方面具有得天独厚的优势。它位于约 1200 米（4000 英尺）的海拔高度上，这个海拔高度是二级粒子最大发展的甜蜜点，但在它们开始衰变之前。它位于犹他州的西部沙漠，在两个方面提供了理想的大气条件：干燥的空气至关重要，因为湿度会吸收探测所需的紫外线；该地区的黑暗天空也至关重要，因为光污染会产生太多噪音，遮蔽宇宙射线。

天体物理学家仍然对这一神秘现象感到困惑。望远镜阵列正在进行扩建，他们希望这将有助于破案。一旦完成，500 个新的闪烁探测器将扩大望远镜阵列的范围，对 2900 平方公里（1100 平方英里）的宇宙射线诱发的粒子阵列进行采样，这个面积几乎相当于罗得岛州的面积。更大的覆盖范围有望捕捉到更多的事件，从而揭示发生了什么。