恆星耀斑和超新星、伽馬射線暴和巨型撞擊——宇宙從不缺乏撞擊我們星球的方式。其中最奇特和最神秘的是超高能宇宙射線（UHECR），這些來自未知區域、重量大但體積微小的粒子，偶爾會以接近光速的速度撞擊我們的星球。每個超高能宇宙射線通常都是單獨且毫無預警地到來，就像一顆天體高速子彈，撞擊我們的大氣層，並在次級粒子的級聯中爆炸，這些次級粒子在如雨點般落到地表時，會閃爍著難以察覺的短暫光芒。儘管地基探測器此前已經透過這種“空氣簇射”發現了一些能量極高的超高能宇宙射線，但在2021年春末撕裂猶他州天空的那一次尤其引人入勝。它被發現者命名為“天照大神”（日本神話中的太陽女神），這個單獨的超高能宇宙射線顯然以其亞原子形式蘊含著投擲磚塊的力量，使其成為30多年來地球上觀測到的能量最高的粒子。最令人好奇的是，它似乎來自一片虛空——一片廣闊的宇宙空曠區域，那裡沒有恆星、星系，以及幾乎所有其他可能成為明顯天體物理來源的東西。
天照大神於 2021 年 5 月 27 日凌晨襲擊地球，將由μ子、膠子和其他次級粒子組成的空氣簇射送入望遠鏡陣列的 500 多個探測器中的 23 個，該專案遍佈猶他州 700 平方公里的沙漠。研究人員透過拼湊這些粒子，推斷出入射的超高能宇宙射線必定具有約 244 百萬電子伏特 (EeV) 的能量，相當於一顆投擲得很好的棒球，比世界最強大的物理實驗——大型強子對撞機中碰撞的粒子能量高數百萬倍。“我當時想這一定是搞錯了，”日本大阪府立大學的藤井俊博說道，他在陣列的資料中發現了這個粒子。然而，事實並非如此。該發現於 11 月 23 日發表在《科學》雜誌上。
只有另一個已知的超高能宇宙射線的能量超過天照大神：著名的 1991 年的“我的天啊粒子”或“OMG 粒子”，其能量達到 320 EeV。那個記錄保持者也撞擊了猶他州——並非因為宇宙的任何怨恨，而僅僅是因為，無論過去還是現在，猶他州平坦的地形和黑暗的天空使其成為北半球超高能宇宙射線探測器的中心。在南半球，皮埃爾·奧傑天文臺——一個由 1600 個探測器組成的網路，橫跨阿根廷偏遠地區 3000 平方公里——與望遠鏡陣列的北半球有利位置互為補充。這兩個專案多年來共同發現了數十個超高能宇宙射線，然而，只有少數幾個——最初的 OMG 粒子和天照大神——的估計能量超過了 200 EeV。統計資料表明，如此強大的信使到達地球表面的頻率僅為每平方公里每世紀不到一次。加州大學聖克魯茲分校的 Noémie Globus 說，在天文學家目錄中確認的那些，“你可以用一隻手就數得過來”，她是新的《科學》論文的合著者。
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透過研究超高能宇宙射線的次級粒子簇射，科學家可以重建其碰撞軌跡，以追蹤其穿過太空的可能路徑，從而查明可能的天體物理來源。這些努力使研究人員能夠透過不同超高能宇宙射線之間的相關性來尋找共同來源，一些可能的“熱點”開始出現。然而，天照大神使情況變得複雜，因為它似乎起源於本星系空洞，這是一個毗鄰銀河系的貧瘠星系際空間。“它來自本星系空洞這一事實真的非常令人費解，”牛津大學的詹姆斯·馬修斯說，他沒有參與這項新發現。
這個謎題的另一個層面是，沒有人確切知道天照大神是什麼型別的粒子——不同型別的粒子對宇宙磁場和背景輻射的敏感性不同，這些因素會彎曲它們在太空中的路徑。如果天照大神是一個質子，正如一些專家所暗示的那樣，它受到的彎曲會很小，並且起源於本星系空洞的中心附近。但如果它是一些更重的東西，例如鐵原子的質子和中子堆積的原子核，它將與磁場發生更強的相互作用，表現出更大的彎曲。在這種情況下，天照大神的起源可能在本星系空洞的邊緣附近，靠近一個名為 NGC 6946 的星系。
猶他大學的約翰·馬修斯是該發現論文的合著者，他傾向於質子解釋，因為天照大神的空氣簇射的成分和方向。“這些都指向了這個超高能量範圍內的質子，”他說。這可能反過來表明，來源是宇宙中最強大的引擎之一：位於“活動”星系中心的超大質量黑洞，它們吞噬物質並噴射出高速質子和其他亞原子粒子流。附近的一個候選者是半人馬座 A 星系。半人馬座 A 星系距離地球 1300 萬光年，是離地球最近的活動星系，科學家們已經看到一些超高能宇宙射線可能聚集在那裡。
其他人則傾向於更重的原子核解釋。“如果你讓我押注它是什麼，我會說它是一個鐵核，”紐約大學的格倫尼斯·法拉爾說，她沒有參與這項新發現。在這種情況下，主要問題將是一個龐大的原子核如何在殘酷的加速到相對論速度的過程中倖存下來，成為一個極端的超高能宇宙射線。“與加速它的過程相比，它是由相對較弱的能量結合在一起的，”最初的 OMG 粒子的共同發現者、猶他大學的戴維·基達說。“這就像試圖拿起一團果凍並加速它，而又不破壞它。”
法拉爾說，一個所謂的潮汐瓦解事件，其中一顆恆星被超大質量黑洞撕裂，可能是鐵核超高能宇宙射線的一種產生途徑。人們認為這種事件在星系中很常見，並且可以解釋為什麼超高能宇宙射線源廣泛分散在天空中，只有少數候選熱點。法拉爾說，也許天照大神的來源“恰好是一個恆星非常靠近其超大質量黑洞的星系”。“我認為這是最合理的解釋。你不需要任何牙仙子。”
科學家們正忙於升級望遠鏡陣列和奧傑天文臺，以尋找答案。計劃將前者在未來幾年擴充套件到目前大小的四倍，從而實現更多超高能宇宙射線的探測和更好的跟蹤，以幫助尋找任何熱點。與此同時，奧傑天文臺正在進行無線電天線的重要升級，以增強其光學探測器。“[無線電]為你提供了質子和鐵的不同特徵，”格洛布斯說，這使研究人員能夠區分兩者，從而縮小可能的天體物理來源範圍。
一項擬議的耗資數十億美元的太空望遠鏡也可能大大增加我們的理解。它被稱為極端多信使天體物理探測器（POEMMA），它將從上方注視地球大氣層——一個崇高的位置，這將使更多來自入射超高能宇宙射線的閃光進入視野，並可能使探測數量增加 10 倍。美國宇航局尚未批准該專案，但目前正在考慮在 2030 年代提供潛在的發射機會。“他們必須說服美國宇航局，”英國利茲大學的名譽教授艾倫·沃森說，他建立了奧傑天文臺，但沒有參與這項新發現。“太空實驗的競爭非常激烈。”
目前，謎團仍然存在；唯一真正確定的是，超高能宇宙射線的硬雨將繼續——我們將繼續尋找它們神秘的起源。在某個地方，至少有一個極其暴力的過程正在推動已知物理學的邊界，將它們送往我們這裡。“這些都是令人驚歎的事件，”約翰·馬修斯說。“我們想知道它們來自哪裡以及如何到達這裡。”