自從20世紀60年代被發現以來，超高能宇宙射線一直吸引著科學家，他們想知道這些射線來自哪裡。像所有宇宙射線一樣，它們的名稱可以說具有誤導性：它們不是輻射“射線”，而是亞原子粒子，例如質子甚至整個原子核，在太空中高速穿梭。如此超高的能量來自接近光速的超高速度。
要被認為是“超高能”宇宙射線，其能量必須達到百億億電子伏特，或 1,000 皮電子伏特 (PeV) 級別，大約相當於在鍵盤上敲擊一個字元所需能量的百分之一。將如此大的能量壓縮到一個如此微小的物體中——比一粒塵埃小萬億倍——遠遠超出了人類加速器的能力，人類最好的加速器也只能產生能量大約相當於一隻飛行的蚊子的粒子。
儘管平均超高能宇宙射線已經令人震驚，但研究人員設法觀察到的極其罕見的佼佼者真正令人驚歎，其能量高達 300 倍——驚人的 30 萬 PeV。作為參考，這意味著一個特別快速的亞原子彈丸從深空疾馳而來，可以產生相當於一個擊打良好的網球的衝擊力。
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天體物理學家尚不清楚究竟是什麼加速了這些粒子達到如此驚人的速度，但他們迫切希望找出答案。唯一可能的罪魁禍首是真正災難性的事件——例如大質量恆星的爆炸性死亡或銀河系以外超大質量黑洞的貪婪吞噬——這意味著這些非凡的粒子一定是來自銀河系外深處的信使，攜帶著來自宇宙中一些最極端物理現象的秘密。
然而，這裡存在一個大問題。作為帶電粒子，所有宇宙射線在傳播過程中都會受到它們接觸到的任何電磁場的干擾，這使得幾乎不可能追溯到它們真正的天體起源。幸運的是，研究人員發現，大自然提供了另一種前進的方式：研究中微子，這是一種電中性粒子，被認為與最高能量宇宙射線來自同一來源。
“我認為中微子是完美的信使粒子，”芝加哥大學的天體物理學家阿比蓋爾·維雷格說。“它們的獨特之處在於，它們可以從宇宙遙遠的地方傳播而來，而不會與任何東西相互作用，也不會在到達這裡的途中被磁場彎曲。”
用中微子探測宇宙
一個普通的中微子有 50% 的機會完全毫髮無損地穿過一光年的鉛——9.5 萬億公里的緻密金屬。這種深刻的冷漠賦予了這些粒子超越其他信使的優勢：因為它們很少與物質相互作用，所以中微子直接指向它們來自的地方。但這又是一把雙刃劍。像穿過透明物質一樣穿越宇宙的不可避免的後果是，中微子通常以同樣的方式穿過地球上的探測器——不留痕跡。
為了增加觀測到中微子的機率，科學家們必須建造巨大的探測器，例如南極的冰立方實驗，該實驗由一立方公里的南極冰組成，並裝配有光學感測器陣列。作為世界上最大的中微子觀測站，冰立方搜尋當中微子與冰中的分子碰撞時產生的帶電粒子簇射發出的閃光。2018 年，冰立方報告來自巨型耀斑類星體的中微子。最近在 2 月份，它看到了來自一顆被黑洞撕裂的恆星的中微子的證據。
但對於最高能量的中微子，“冰立方就力不從心了，”維雷格說，她指出，至少需要 100 立方公里的冰才能有合理的機會觀察到超高能中微子的光學軌跡，因為加速到如此極端速度的粒子極其罕見。問題在於探測單元之間的間距：光在冰中只能傳播幾十米，然後就會發生散射或被吸收，因此光學陣列必須緊密排列，嚴格限制了可實現的探測器尺寸。
因此，超高能粒子的來源仍然未被發現，因為 100 立方公里的冰立方式天文臺遠遠超出了技術和經濟可行性的界限。為了觀察到第一個超高能中微子，天體物理學家們轉而關注更經濟的無線電探測方法。無線電波在冰中的傳播距離比可見光遠數百米，因此可以建造更稀疏的探測單元陣列，以覆蓋更大的體積，而成本僅為一小部分。
美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家託尼亞·文特斯說：“無線電是未來。” “我認為它是一種互補的探測手段，有可能完成我們發現其他探測技術難以完成的任務。”
中微子無線電輻射
在超高能量下，冰等材料中帶電粒子簇射的無線電輻射甚至比光學訊號更強烈，這使其成為探索極端宇宙的誘人手段。這種現象被稱為阿斯卡揚效應，以俄羅斯-亞美尼亞物理學家古爾根·阿斯卡揚的名字命名，他於 1962 年首次預測了這一效應。
但早期嘗試觀察阿斯卡揚效應的嘗試均告失敗，導致人們普遍懷疑它是否可以用於超高能粒子探測。“對於這是否是一種真實效應，存在很多疑問，”夏威夷大學馬諾阿分校的天體物理學家彼得·戈勒姆說。“沒有多少高能粒子物理學家認真對待這件事。”
儘管如此，一支規模雖小但堅韌不拔的物理學家團隊堅持不懈，該領域在 2000 年迎來了轉折點，當時他們在斯坦福直線加速器中心 (SLAC) 的一輛拖車後部證實了阿斯卡揚效應。
現在，在阿斯卡揚預測近 60 年後，無線電波段的中微子探測才剛剛起步。“由此可能產生的新物理學甚至是我們無法想象的，”曾是 SLAC 團隊成員的戈勒姆說。“我們將瞭解宇宙加速器的本質，並觀察我們無法透過任何其他方式訪問的能量空間區域。”
下一代無線電努力
在夏威夷大學馬諾阿分校的戈勒姆的領導下，中微子射電天文學的開創性努力是 ANITA（南極脈衝瞬態天線），它於 2006 年開始收集資料。ANITA 由一套不斷更新的天線組成，懸掛在一個巨大的氦氣球下方，在 10 年期間進行了大約四次為期一個月的觀測活動，每次都在空中翱翔數公里，掃描下方南極冰蓋，尋找來自超高能中微子撞擊的無線電輻射跡象。
1 月份，美國宇航局資助了超高能觀測有效載荷 (PUEO)，這是一個下一代實驗，它將建立在 ANITA 的遺產之上。氣球載探測器（如 ANITA 和 PUEO）的高空視角使其比地面實驗具有獨特的優勢，因為它們可以在中微子搜尋中監測超過一百萬平方公里的冰面。PUEO 的首次飛行預計在 2024 年，它將整合多項優於 ANITA 的技術進步，以提高對更多能量的靈敏度，並提高中微子事件率。
但是，氣球載搜尋所吹噓的擴大視野被一個事實所抵消，即正是因為天線陣列飛得如此之高，以至於它們可能無法看到來自較弱中微子訊號的無線電輻射。另一個缺點是惡劣天氣的現實：對於在南極冰蓋上進行的任何型別的氣球工作來說，惡劣的條件都是經常性的干擾。為了解決這些問題，天體物理學家正在採取“兩全其美”的方法，在大量冰中建立新的無線電陣列，然後這些陣列可以與氣球載實驗協同工作，以獲得更廣泛的能量覆蓋範圍。在一些較小規模的努力之後，研究人員正準備安裝格陵蘭無線電中微子天文臺 (RNO-G)，這是一個由芝加哥大學領導的冰內實驗。
“RNO-G 將是迄今為止在冰中建造的最大的無線電探測器，在未來三年內將安裝 35 個天線站，”賓夕法尼亞州立大學參與天文臺建設的天體物理學家斯蒂芬妮·維塞爾說。許多研究人員樂觀地認為，RNO-G 將很快首次探測到超高能中微子，從而初步窺探極端宇宙。
但如果沒有，冰內無線電陣列概念將被擴大規模，用於冰立方提出的繼任者冰立方-Gen2，後者將有 200 個天線站環繞一個增強的光學系統。“冰立方可以看到能量高達約 10 皮電子伏特的中微子。但隨著無線電元件的加入，這個能量範圍將上升到數千甚至數十萬，”維雷格說，她是 PUEO 和 RNO-G 的首席研究員。這種擴大的能量範圍僅佔冰立方-Gen2 總預算的 10%，這令人印象深刻地證明了無線電探測的成本效益。
一種更新穎的探測策略將尋找來自空氣而不是冰中帶電粒子簇射的無線電波。前者是由中微子在地下，靠近地球表面相互作用產生的：在合適的條件下，這些掠地中微子可以產生高能粒子，這些粒子會逃逸到大氣中並衰變成廣泛的、發射無線電波的空氣簇射。
這就是巨型無線電陣列中微子探測 (GRAND) 的策略——對於一個規模如此龐大的實驗來說，這是一個恰如其分的名字。國際 GRAND 合作組織由法國、中國、荷蘭和巴西的機構組織和資助，希望透過一項雄心勃勃的 20 萬平方公里無線電陣列（即大約相當於內布拉斯加州大小的陣列）的提案來發現超高能宇宙射線的起源。
哥本哈根大學的天體物理學家毛裡西奧·布斯塔曼特說：“這個想法不是建造一個整體陣列，而是建造 20 個每個包含 10,000 個天線的陣列，”他也是 GRAND 提案的合著者。他解釋說，這些陣列的位置很重要，因為它們需要位於“無線電靜默”區域——遠離人工無線電輻射源。迄今為止，GRAND 已在中亞天山山脈確定了幾個偏遠地點，並計劃在世界各地尋找更多地點。
隨著各種下一代無線電實驗的到來，天體物理學界對最終找到自然界中最有活力和最難以捉摸的信使之一後，未來可能會發生什麼而感到興奮。“我非常期待首次發現超高能中微子，”維塞爾說。“我不確定哪個實驗會率先做到這一點，但這將開啟一扇通往宇宙的新視窗，其中蘊藏著巨大的發現潛力。”
對於熟悉該領域歷史的科學家來說，探索新的宇宙前沿是對過去的致敬：20 世紀物理學透過研究來自天空的粒子而蓬勃發展。“當我們想了解更多超出我們自己的機器所能告訴我們的資訊時，我們再次回到宇宙加速器，這是一個自然而然的轉變，”布斯塔曼特說。“這就是研究我們宇宙中能量最高粒子的全部目的。”