望远镜阵列探测到有史以来能量第二高的宇宙射线

降法讲顾

由望远镜阵列实验的表面探测器阵列观测到的高能宇宙射线的艺术家插图，命名为“天照大神粒子”鸣谢:大阪都立大学/L-INSIGHT，京都大学/龙之介武重

（）据犹他大学：1991年，犹他大学的蝇眼实验探测到了有史以来最高能量的宇宙射线。后来被称为“哦，我的上帝”的粒子，宇宙射线的能量震惊了天体物理学家。我们的星系中没有任何东西有能力产生这种粒子，这种粒子的能量比理论上从其他星系传播到地球的宇宙射线的能量要多。简单来说，粒子不应该存在。

望远镜阵列已经观测到了30多条超高能宇宙射线，尽管没有一条接近我的上帝级别的能量。目前还没有观测揭示它们的起源或者它们是如何到达地球的。

2021年5月27日，望远镜阵列实验探测到第二高的极端能量宇宙线。在2.4 x 1020eV的情况下，这个单个亚原子粒子的能量相当于从腰部高度向你的脚趾扔一块砖。由犹他大学(U)和东京大学领导的这项实验使用了望远镜阵列，该阵列由507个表面探测器站组成，排列在一个正方形网格中，覆盖了犹他州三角洲外700 km2(约270 miles2)，位于该州的西部沙漠中。

这一事件触发了望远镜阵列西北区域的23个探测器，覆盖了48平方公里(18.5平方米)。它的到达方向似乎来自当地的虚空，银河系边缘的一个空的空间区域。

“这些粒子能量如此之高，它们应该不会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的位置，”约翰·马修斯说，他是美国大学望远镜阵列的共同发言人，也是这项研究的共同作者。“但是在‘我的上帝’粒子和这个新粒子的情况下，你追踪它的轨迹到它的源头，没有足够高的能量产生它。这就是这件事的神秘之处——到底发生了什么？”

在他们发表在《科学》杂志上的观察中，一个国际合作的研究人员描述了超高能宇宙射线，评估了它的特征，并得出结论，这种罕见的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命名它为天照粒子。“我的天啊”和“天照大神”粒子是用不同的观测技术探测到的，证实了这些超高能事件虽然罕见，却是真实存在的。

“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来源，”该研究的合著者，美国大学教授约翰·贝尔茨说。“可能是时空结构的缺陷，碰撞的宇宙弦。我的意思是，我只是对人们提出的疯狂想法进行吐槽，因为没有常规的解释。”

自然粒子加速器

宇宙射线是剧烈天体活动的回声，这些天体活动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。本质上，宇宙射线是具有广泛能量的带电粒子，由正质子、负电子或整个原子核组成，它们穿过空间，几乎不断地降落到地球上。

宇宙射线撞击地球的高层大气，使氧气和氮气的原子核爆炸，产生许多次级粒子。这些粒子在大气中传播一小段距离，并重复这一过程，形成数十亿次级粒子的簇射，分散到表面。这种次级流星雨的足迹非常大，需要探测器覆盖望远镜阵列那么大的区域。地表探测器利用一套仪器，为研究人员提供关于每条宇宙射线的信息；信号的时间显示了它的轨迹，击中每个探测器的带电粒子的数量揭示了初级粒子的能量。



艺术家的超高能宇宙射线天文学插图，阐明了与受电磁场影响的较弱宇宙射线形成对比的极端高能现象。鸣谢:大阪都立大学/京都大学/龙之介武重

因为粒子带电荷，当它们在宇宙微波背景中逆着电磁场曲折前进时，它们的飞行路径就像弹球机中的球。几乎不可能追踪大多数宇宙射线的轨迹，它们位于能谱的中低端。即使是高能宇宙射线也会被微波背景扭曲。具有天啊和天照大神能量的粒子相对直直地穿过星系际空间。只有最强大的天体事件才能产生它们。

“人们认为有能量的东西，如超新星，远没有足够的能量来实现这一点。你需要巨大的能量，非常强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 1019 eV。这意味着单个亚原子粒子携带的动能与美国职业棒球大联盟投手的快速球相同，其能量是任何人造粒子加速器所能达到的数千万倍。

天体物理学家计算了这一理论极限，称为云瑞森-扎兹平-库兹明(GZK)截止，这是一个质子在微波背景辐射的相互作用吸收它们的能量之前能够保持长距离传播的最大能量。

已知的候选源，如活动星系核或吸积盘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 1020电子伏和天啊粒子的3.2 x 1020电子伏轻松超过了截止值。

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，带更多电荷，在磁场中更容易弯曲。新粒子很可能是质子。粒子物理学表明，能量超过GZK截止值的宇宙射线对于微波背景来说太强大了，以至于不能扭曲它的路径，但是回溯它的轨迹指向空无一物的空间。

“也许磁场比我们想象的更强，但这与其他观察结果不一致，其他观察结果显示，磁场不足以在这些1020电子伏特的能量下产生明显的弯曲，”贝尔茨说。“这真是一个谜。”

扩大足迹

望远镜阵列被定位于探测超高能宇宙射线。它位于大约1200米(4000英尺)的高度，这是允许次级粒子最大程度发展的最佳高度，但在它们开始衰变之前。它位于犹他州的西部沙漠，以两种方式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；该地区的黑暗天空是必不可少的，因为光污染会产生太多的噪音，模糊宇宙射线。

天体物理学家仍然对这些神秘的现象感到困惑。望远镜阵列正在扩建中，他们希望这将有助于破案。一旦完成，500个新的闪烁体探测器将扩大望远镜阵列，将在2900平方公里(1100平方英里)的范围内对宇宙射线引发的粒子雨进行采样，这一面积几乎相当于罗德岛的面积。更大的足迹将有望捕捉更多的事件，从而揭示正在发生的事情。