2023年11月24日，在《科學》雜志上發表的一項研究中，研究人員宣稱他們探測到了一起能量高到超乎想象的宇宙線事件。研究人員將這個宇宙線命名為“Amaterasu粒子”（Amaterasu是日本神話中的太陽女神——天照大神）。但令人費解的是，沒有任何已知的來源能夠產生如此高能量的粒子。

超越理論極限

宇宙線是來自地球大氣層外的亞原子粒子，比如質子（也就是氫的原子核）等，以接近光速的速度在空間中傳播。

在討論宇宙線的能量時，我們用到的最基本單位是電子伏特（eV），1電子伏特指的是當一個電子通過1伏特電位差時所獲得的能量。宇宙線的能量范圍很廣，最常見的是能量最低的那些，比如來自太陽的宇宙線。當宇宙線的能量超過1 × 10^18eV時，就可以被稱為特高能宇宙線，這一能量比人造粒子加速器所能達到的最高能量還要高出100萬倍。特高能宇宙線的起源通常被認為與宇宙中一些最極端的現象有關，比如伽馬射線暴或者黑洞周圍的相對論性噴流。

那么宇宙線的能量最高可以是多高呢？上世紀60年代，三位科學家提出了一個宇宙線能量的理論極限：從距離地球3億光年以外發出的宇宙線，能量不應超過5 × 10^19eV，這一數值被稱為GZK極限（Greisen-Zatsepin-Kuzmin limit）。如果超過這一極限，宇宙線就會在穿越空間時與宇宙微波背景相互作用，從而在行進過程中不斷損失能量。

宇宙微波背景：在大爆炸后約38萬年，宇宙已經冷卻到能夠使電子和原子核形成穩定的原子。這就意味著宇宙中的光子不再與電子散射，從而能夠自由地傳播。這些光子至今仍然彌漫在宇宙之中，只不過它們的波長已經隨著宇宙的膨脹被拉長到微波波段。(圖/ESA/Planck Collaboration)

然而，在1991年，天文學家探測到了能量高達3.2 × 10^20eV的宇宙線，這顯然超過了理論極限，意味著理論上它不應該來自其他遙遠的星系，但銀河系中又沒有任何天體有能力產生如此高能的粒子。隨后，這一令人震驚的高能粒子被命名為“Oh-My-God粒子”。

如果想要在人造加速器產生如此高的能量，加速器的大小需要與水星軌道相當。現在，最新探測到的Amaterasu粒子的能量也超過了GZK極限，約為2.4 x 10^20eV。這是30多年來，繼Oh-My-God粒子后探測到的最高能的宇宙線。那么，研究人員是如何捕捉到Amaterasu粒子的呢？

得天獨厚的望遠鏡陣列

當來自外太空的宇宙線粒子抵達地球時，會撞擊地球的高層大氣，并與大氣中的氧和氮的原子核發生碰撞，引發次級粒子的級聯。這些所謂的“大氣簇射”包含了數十億顆次級粒子。當它們散落在地球上時，覆蓋的地表面積是巨大的，由1020eV的宇宙線引發的大氣簇射，可以覆蓋地表寬達16平方千米的區域。
來自太空的高能粒子流穿過地球大氣層。

圖：Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

因此我們需要一個覆蓋面積較大的探測器。位于美國猶他州西部沙漠的三角洲外的望遠鏡陣列（Telescope Array）就是這樣一個實驗。它由507個地面探測器組成，排列成一個正方形網格，覆蓋了地表700平方千米的面積。

望遠鏡陣列位于大約1200米的高度，這是最大限度探測次級粒子的最佳海拔點。它的所在地有兩個優勢：一是干燥的空氣，這一點至關重要，因為濕度會吸收探測所需的紫外線；另一點是這片區域有著非常優秀的黑暗天空，這也是必不可少的，因為光污染會干擾對宇宙線的探測。

2021年5月27日，望遠鏡陣列探測到了Amaterasu粒子。大氣簇射觸發了望遠鏡陣列西北區域的23個探測器，面積達48平方千米。通過研究探測到的大氣簇射中的粒子，科學家可以重建原宇宙線的能量、質量和到達方向。

能量較低的宇宙線在磁場的影響下會曲折前行；但由于特高能宇宙線具有高動能，所以受磁場的影響也比較小。（圖/Osaka Metropolitan University/Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige）
我們知道，宇宙線是帶電粒子，所以它們在抵達地球的途中，會受到銀河系和河外磁場的影響而發生偏轉。它們的傳播路徑有點像彈球機里的球，會在磁場中曲折前進。那些能量較低的宇宙線受到磁場的影響會比較強，所以它們的軌跡幾乎是不可追蹤的。但對于“Oh-My-God”和“Amaterasu”而言，它們受到磁場的影響很小，所以它們在空間中會相對平穩的行進。所以，順著宇宙線的方向，天文學家應該很容易就能追溯到它們的起源。

然而，當研究人員試圖隨著Amaterasu的軌跡分析其起源時，他們一無所獲。因為他們計算出，Amaterasu的源頭似乎是一個幾乎沒有星系存在的類似巨洞的區域。換句話說，他們沒有發現任何足以產生這種高能量的天體事件。這使得這些粒子格外神秘。

未知的物理學？

這是怎么回事呢？一種可能的解釋是，研究人員用來預測磁場會如何影響宇宙線的路徑的模型并不正確，可能需要進行一些調整。另一種可能性聽起來更加令人期待，那就是特高能量宇宙線實際上是由未知的物理過程產生的，從而使它們傳播的距離比過去認為的還要遠得多。

接下來，研究人員正在升級望遠鏡陣列，使其靈敏度提高到之前的4倍。一旦完成，500個新的閃爍體探測器將在2900平方千米的范圍內捕捉宇宙線。更大的覆蓋范圍意味著研究人員將有機會捕捉到更多罕見的特高能宇宙線，從而更精確地追蹤它們的起源。

參考鏈接：

An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array
https://doi.org/10.1126%2Fscience.abo5095

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

團隊：原理

審核：羅會仟 中科院物理所研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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