望远镜阵列探测到有史以来第二高能量的宇宙射线

1991年，犹他大学的蝇眼实验探测到了迄今为​​止观测到的最高能量的宇宙射线。后来被称为“天哪”粒子的宇宙射线能量震惊了天体物理学家。我们银河系中没有任何东西有能力产生它，而且该粒子的能量比理论上从其他星系传播到地球的宇宙射线所能提供的能量还要多。简而言之，粒子不应该存在。

此后，望远镜阵列观测到了 30 多条超高能宇宙射线，但没有一条接近天哪级能量。目前还没有观测揭示它们的起源或它们如何能够到达地球。

2021年5月27日，望远镜阵列实验探测到了第二高的极端能量宇宙射线。在 2.4 x 10 20 eV 下，这个单个亚原子粒子的能量相当于从腰部高度将一块砖头扔到你的脚趾上。望远镜阵列由犹他大学 (U) 和东京大学牵头，由 507 个表面探测器站组成，排列成方形网格，覆盖该州西部犹他州三角洲以外 700 公里 2 (~270 英里2 ) 的区域沙漠。该事件触发了望远镜阵列西北区域的 23 个探测器，溅射面积达 48 km 2 (18.5 mi 2 )。它的到达方向似乎是来自局部虚空，这是一个与银河系接壤的空旷区域。

“这些粒子能量如此之高，它们不应该受到银河系和银河系外磁场的影响。你应该能够指出它们在天空中来自哪里，”大学望远镜阵列联合发言人、该研究的合著者约翰·马修斯说。“但就‘天哪’粒子和这个新粒子而言，你追踪它的轨迹到它的源头，却发现没有足够高的能量来产生它。这就是这件事的谜团——到底发生了什么?”

国际合作研究人员在 2023 年 11 月 24 日发表在《科学》杂志上的观察结果描述了超高能宇宙射线，评估了其特性，并得出结论认为，这种罕见现象可能遵循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的名字将其命名为天照粒子。使用不同的观测技术检测到天照粒子和天照粒子，证实这些超高能量事件虽然罕见，但却是真实的。

“这些事件看起来像是来自天空中完全不同的地方。这并不是说有一个神秘的来源，” 该研究的合著者、美国大学教授约翰·贝尔兹 (John Belz)说。“这可能是时空结构的缺陷，宇宙弦的碰撞。我的意思是，我只是随口吐槽人们提出的疯狂想法，因为没有传统的解释。”

天然粒子加速器

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至亚原子结构，并以接近光速的速度穿过宇宙。本质上，宇宙射线是具有多种能量的带电粒子，由正质子、负电子或整个原子核组成，它们穿过太空并几乎不断地落到地球上。

宇宙射线撞击地球的高层大气，炸裂氧气和氮气的核心，产生许多次级粒子。它们在大气中传播一小段距离并重复这个过程，形成数十亿个次级粒子的簇射，然后散射到表面。这个次级流星雨的占地面积很大，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有关每种宇宙射线的信息;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揭示了初级粒子的能量。

由于粒子带有电荷，因此它们的飞行路径类似于弹球机中的球，因为它们在宇宙微波背景下对抗电磁场而呈之字形。追踪大多数位于能谱中低端的宇宙射线的轨迹几乎是不可能的。即使是高能宇宙射线也会被微波背景扭曲。具有“天啊”和“天照” 能量的粒子在相对不弯曲的星际空间中爆炸。只有最强大的天体事件才能产生它们。

“人们认为充满活力的事物，比如超新星，其能量远远不足以实现这一点。你需要大量的能量，非常高的磁场来限制粒子加速，”马修斯说。

超高能宇宙射线必须超过5 x 10 19 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，并且比任何人造粒子加速器所能达到的能量多数千万倍。天体物理学家计算出这个理论极限，称为格赖森-扎特斯平-库兹明 (GZK) 截止值，作为质子在微波背景辐射相互作用的影响夺走其能量之前长距离行进所能容纳的最大能量。已知的候选源，例如活跃的星系核或带有吸积盘并发射粒子射流的黑洞，往往距离地球超过 1.6 亿光年。新粒子的 2.4 x 10 20 eV 和 Oh-My-God 粒子的 3.2 x 10 20 eV 轻松超过了截止值。

研究人员还分析宇宙射线的成分，寻找其起源的线索。较重的粒子(如铁原子核)比由氢原子质子组成的较轻粒子更重，具有更多电荷，并且更容易在磁场中弯曲。新粒子很可能是质子。粒子物理学表明，能量超出 GZK 截止的宇宙射线太强大，微波背景无法扭曲其路径，但回溯其轨迹会指向真空。

贝尔兹说：“也许磁场比我们想象的要强，但这与其他观察结果不一致，其他观察结果表明磁场不足以在十到二十分之一电子伏特的能量下产生显着的曲率。” “这真是一个谜。”

扩大足迹

望远镜 阵列 具有独特的定位，可以探测超高能宇宙射线。它位于大约 1,200 m(4,000 英尺)处，这是允许二次粒子在开始衰变之前最大程度发展的海拔最佳点。它位于犹他州西部沙漠，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;该地区的黑暗天空至关重要，因为光污染会产生过多的噪音并遮挡宇宙射线。

天体物理学家仍然对这些神秘现象感到困惑。望远镜阵列正在进行扩建，他们希望这有助于破案。建成后，500 个新的闪烁体探测器将扩展望远镜阵列，对 2,900 km 2 (1,100 mi 2 )范围内的宇宙射线引发的粒子雨进行采样，该区域面积接近罗德岛州大小。更大的足迹有望捕获更多事件，从而揭示正在发生的事情。