再次打破理論極限！科學(xué)家探測到有史以來能量第二高的宇宙線

2023年11月24日，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)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(gè)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(fèi)解的是，沒有任何已知的來源能夠產(chǎn)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(zhì)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(shí)，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(dāng)一個(gè)電子通過1伏特電位差時(shí)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(dāng)宇宙線的能量超過1 × 10^18eV時(shí)，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(dá)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(rèn)為與宇宙中一些最極端的現(xiàn)象有關(guān)，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(jì)60年代，三位科學(xué)家提出了一個(gè)宇宙線能量的理論極限：從距離地球3億光年以外發(fā)出的宇宙線，能量不應(yīng)超過5 × 10^19eV，這一數(shù)值被稱為GZK極限（Greisen-Zatsepin-Kuzmin limit）。如果超過這一極限，宇宙線就會(huì)在穿越空間時(shí)與宇宙微波背景相互作用，從而在行進(jìn)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(jīng)冷卻到能夠使電子和原子核形成穩(wěn)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(jīng)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(xué)家探測到了能量高達(dá)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(yīng)該來自其他遙遠(yuǎn)的星系，但銀河系中又沒有任何天體有能力產(chǎn)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(chǎn)生如此高的能量，加速器的大小需要與水星軌道相當(dāng)?，F(xiàn)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(dú)厚的望遠(yuǎn)鏡陣列

當(dāng)來自外太空的宇宙線粒子抵達(dá)地球時(shí)，會(huì)撞擊地球的高層大氣，并與大氣中的氧和氮的原子核發(fā)生碰撞，引發(fā)次級(jí)粒子的級(jí)聯(lián)。這些所謂的“大氣簇射”包含了數(shù)十億顆次級(jí)粒子。當(dāng)它們散落在地球上時(shí)，覆蓋的地表面積是巨大的，由1020eV的宇宙線引發(fā)的大氣簇射，可以覆蓋地表寬達(dá)16平方千米的區(qū)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(gè)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(yuǎn)鏡陣列（Telescope Array）就是這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。它由507個(gè)地面探測器組成，排列成一個(gè)正方形網(wǎng)格，覆蓋了地表700平方千米的面積。

望遠(yuǎn)鏡陣列位于大約1200米的高度，這是最大限度探測次級(jí)粒子的最佳海拔點(diǎn)。它的所在地有兩個(gè)優(yōu)勢：一是干燥的空氣，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)闈穸葧?huì)吸收探測所需的紫外線；另一點(diǎn)是這片區(qū)域有著非常優(yōu)秀的黑暗天空，這也是必不可少的，因?yàn)楣馕廴緯?huì)干擾對宇宙線的探測。

2021年5月27日，望遠(yuǎn)鏡陣列探測到了Amaterasu粒子。大氣簇射觸發(fā)了望遠(yuǎn)鏡陣列西北區(qū)域的23個(gè)探測器，面積達(dá)48平方千米。通過研究探測到的大氣簇射中的粒子，科學(xué)家可以重建原宇宙線的能量、質(zhì)量和到達(dá)方向。

能量較低的宇宙線在磁場的影響下會(huì)曲折前行；但由于特高能宇宙線具有高動(dòng)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(dá)地球的途中，會(huì)受到銀河系和河外磁場的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。它們的傳播路徑有點(diǎn)像彈球機(jī)里的球，會(huì)在磁場中曲折前進(jìn)。那些能量較低的宇宙線受到磁場的影響會(huì)比較強(qiáng)，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(huì)相對平穩(wěn)的行進(jìn)。所以，順著宇宙線的方向，天文學(xué)家應(yīng)該很容易就能追溯到它們的起源。

然而，當(dāng)研究人員試圖隨著Amaterasu的軌跡分析其起源時(shí)，他們一無所獲。因?yàn)樗麄冇?jì)算出，Amaterasu的源頭似乎是一個(gè)幾乎沒有星系存在的類似巨洞的區(qū)域。換句話說，他們沒有發(fā)現(xiàn)任何足以產(chǎn)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(xué)？

這是怎么回事呢？一種可能的解釋是，研究人員用來預(yù)測磁場會(huì)如何影響宇宙線的路徑的模型并不正確，可能需要進(jìn)行一些調(diào)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(shí)際上是由未知的物理過程產(chǎn)生的，從而使它們傳播的距離比過去認(rèn)為的還要遠(yuǎn)得多。

接下來，研究人員正在升級(jí)望遠(yuǎn)鏡陣列，使其靈敏度提高到之前的4倍。一旦完成，500個(gè)新的閃爍體探測器將在2900平方千米的范圍內(nèi)捕捉宇宙線。更大的覆蓋范圍意味著研究人員將有機(jī)會(huì)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(jì)劃扶持作品

團(tuán)隊(duì)：原理

審核：羅會(huì)仟 中科院物理所研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司