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由望遠鏡陣列實驗的表麵探測器陣列觀測到的高能宇宙射線的藝術家插圖，命名為“天照大神粒子”。鳴謝:uux.cn/大阪都立大學/L-INSIGHT，京都大學/龍之介武重
（神秘的地球uux.cn）據猶他大學：1991年，猶他大學的蠅眼實驗探測到了有史以來最高能量的宇宙射線。後來被稱為“哦，我的上帝”的粒子，宇宙射線的能量震驚了天體物理學家。我們的星係中沒有任何東西有能力產生這種粒子，這種粒子的能量比理論上從其他星係傳播到地球的宇宙射線的能量要多。簡單來說，粒子不應該存在。
望遠鏡陣列已經觀測到了30多條超高能宇宙射線，盡管沒有一條接近我的上帝級別的能量。目前還沒有觀測揭示它們的起源或者它們是如何到達地球的。
2021年5月27日，望遠鏡陣列實驗探測到第二高的極端能量宇宙線。在2.4 x 1020eV的情況下，這個單個亞原子粒子的能量相當於從腰部高度向你的腳趾扔一塊磚。由猶他大學(U)和東京大學領導的這項實驗使用了望遠鏡陣列，該陣列由507個表麵探測器站組成，排列在一個正方形網格中，覆蓋了猶他州三角洲外700 km2(約270 miles2)，位於該州的西部沙漠中。
這一事件觸發了望遠鏡陣列西北區域的23個探測器，覆蓋了48平方公裏(18.5平方米)。它的到達方向似乎來自當地的虛空，銀河係邊緣的一個空的空間區域。
“這些粒子能量如此之高，它們應該不會受到銀河係和銀河係外磁場的影響。你應該能夠指出它們在天空中的位置，”約翰·馬修斯說，他是美國大學望遠鏡陣列的共同發言人，也是這項研究的共同作者。“但是在‘我的上帝’粒子和這個新粒子的情況下，你追蹤它的軌跡到它的源頭，沒有足夠高的能量產生它。這就是這件事的神秘之處——到底發生了什麽？”
在他們發表在《科學》雜誌上的觀察中，一個國際合作的研究人員描述了超高能宇宙射線，評估了它的特征，並得出結論，這種罕見的現象可能遵循科學未知的粒子物理學。
研究人員以日本神話中的太陽女神命名它為天照粒子。“我的天啊”和“天照大神”粒子是用不同的觀測技術探測到的，證實了這些超高能事件雖然罕見，卻是真實存在的。
“這些事件似乎來自天空中完全不同的地方。這不像是有一個神秘的來源，”該研究的合著者，美國大學教授約翰·貝爾茨說。“可能是時空結構的缺陷，碰撞的宇宙弦。我的意思是，我隻是對人們提出的瘋狂想法進行吐槽，因為沒有常規的解釋。”
自然粒子加速器
宇宙射線是劇烈天體活動的回聲，這些天體活動將物質剝離成亞原子結構，並以接近光速的速度將其拋向宇宙。本質上，宇宙射線是具有廣泛能量的帶電粒子，由正質子、負電子或整個原子核組成，它們穿過空間，幾乎不斷地降落到地球上。
宇宙射線撞擊地球的高層大氣，使氧氣和氮氣的原子核爆炸，產生許多次級粒子。這些粒子在大氣中傳播一小段距離，並重複這一過程，形成數十億次級粒子的簇射，分散到表麵。這種次級流星雨的足跡非常大，需要探測器覆蓋望遠鏡陣列那麽大的區域。地表探測器利用一套儀器，為研究人員提供關於每條宇宙射線的信息；信號的時間顯示了它的軌跡，擊中每個探測器的帶電粒子的數量揭示了初級粒子的能量。

藝術家的超高能宇宙射線天文學插圖，闡明了與受電磁場影響的較弱宇宙射線形成對比的極端高能現象。鳴謝:uux.cn/大阪都立大學/京都大學/龍之介武重
因為粒子帶電荷，當它們在宇宙微波背景中逆著電磁場曲折前進時，它們的飛行路徑就像彈球機中的球。幾乎不可能追蹤大多數宇宙射線的軌跡，它們位於能譜的中低端。即使是高能宇宙射線也會被微波背景扭曲。具有天啊和天照大神能量的粒子相對直直地穿過星係際空間。隻有最強大的天體事件才能產生它們。
“人們認為有能量的東西，如超新星，遠沒有足夠的能量來實現這一點。你需要巨大的能量，非常強的磁場來限製粒子加速，”馬修斯說。
超高能宇宙射線必須超過5 x 1019 eV。這意味著單個亞原子粒子攜帶的動能與美國職業棒球大聯盟投手的快速球相同，其能量是任何人造粒子加速器所能達到的數千萬倍。
天體物理學家計算了這一理論極限，稱為雲瑞森-紮茲平-庫茲明(GZK)截止，這是一個質子在微波背景輻射的相互作用吸收它們的能量之前能夠保持長距離傳播的最大能量。
已知的候選源，如活動星係核或吸積盤發射粒子射流的黑洞，往往距離地球超過1.6億光年。新粒子的2.4 x 1020電子伏和天啊粒子的3.2 x 1020電子伏輕鬆超過了截止值。
研究人員還分析宇宙射線的成分，尋找其起源的線索。較重的粒子，如鐵原子核，比由氫原子質子組成的較輕粒子更重，帶更多電荷，在磁場中更容易彎曲。新粒子很可能是質子。粒子物理學表明，能量超過GZK截止值的宇宙射線對於微波背景來說太強大了，以至於不能扭曲它的路徑，但是回溯它的軌跡指向空無一物的空間。
“也許磁場比我們想象的更強，但這與其他觀察結果不一致，其他觀察結果顯示，磁場不足以在這些1020電子伏特的能量下產生明顯的彎曲，”貝爾茨說。“這真是一個謎。”
擴大足跡
望遠鏡陣列被定位於探測超高能宇宙射線。它位於大約1200米(4000英尺)的高度，這是允許次級粒子最大程度發展的最佳高度，但在它們開始衰變之前。它位於猶他州的西部沙漠，以兩種方式提供了理想的大氣條件:幹燥的空氣至關重要，因為濕度會吸收探測所需的紫外線；該地區的黑暗天空是必不可少的，因為光汙染會產生太多的噪音，模糊宇宙射線。
天體物理學家仍然對這些神秘的現象感到困惑。望遠鏡陣列正在擴建中，他們希望這將有助於破案。一旦完成，500個新的閃爍體探測器將擴大望遠鏡陣列，將在2900平方公裏(1100平方英裏)的範圍內對宇宙射線引發的粒子雨進行采樣，這一麵積幾乎相當於羅德島的麵積。更大的足跡將有望捕捉更多的事件，從而揭示正在發生的事情。