超高能宇宙射线是宇宙中能量最高，也最稀有的粒子流，同时也是最神秘的射线。本杰明·史丘斯（Benjamin Skuse）告诉我们宇宙射线的秘密是如何不停检验着我们对于高能物理学的理解水平。
在遥远的宇宙中的某个地方，有某种物体不停创造着包含超高能量的粒子。不管它是什么、来自哪里，它可能是任何能量为1018~1020eV的粒子。已知欧洲核子研究中心的大型强子对撞机能产生最高能量为1013eV的粒子，而超高能宇宙射线的能量比地球上人类使用粒子加速器所能产生的要高百万倍。简而言之，超高能宇宙射线是有史以来人类发现的宇宙中能量最高的粒子。（eV：物理学常量，能量单位，电子伏特）
超高能宇宙射线简称UHECRs，最早在1962年发现。它是普通宇宙射线的超能同类物，50多年前，奥地利科学家维克多·赫斯通过一连串乘坐热气球升空试验发现了它的存在。尽管人们对普通宇宙射线了解颇深，但超高能宇宙射线来自哪里，因何物加速散射仍然成谜。
幸好有些超高能宇宙射线偶尔会降临地球。进入大气层后，超高能宇宙射线会与空气中的分子碰撞，后者会分解为其它粒子，产生瀑布效应，冲向大地。这样一来大量的粒子会扩散到地球表面五公里的范围。在阿根廷的皮埃尔·俄歇天文台和美国犹他州的望远镜阵列的帮助下，科学家观测到这些粒子，并获取关于超高能宇宙射线的信息。
观望等待：皮埃尔·俄歇天文台1660个探测器之一，其中包含着12,000升水，用于捕捉难以寻找的超高能宇宙射线。（图源：皮埃尔·俄歇天文台）
这两处都建有地面探测器阵列，皮埃尔·俄歇天文台有1660台装有12,000升水的探测器，散布在3,000平方千米的地域。瀑布效应中的粒子飞入探测器中会产生电磁冲击波，然后探测器内的光探测管捕捉到电磁冲击波信号。研究者就可以将这些信息和观测数据一并进行分析。望远镜阵列中的27台望远镜收集瀑布效应激发空气中的氮气所产生的荧光，科学家分析荧光，获得相关数据。
这项组合技术能够对超高能宇宙射线的通量，到达方向和能量都进行准确的测量。在，皮埃尔·俄歇天文台的研究员基于这项技术，明确表示具有极高能量的宇宙射线是银河系以外而来的（援引Science第357期1266页）。鉴于我们知道宇宙射线已有一个多世纪了，这一突破性发现似乎平淡无奇，甚至姗姗来迟。但是事实上，它反映了科研人员面临的巨大难题。因为一般来说，能量超过1020eV的宇宙射线每百年才会一度降临地球上一平方千米的土地上。
是什么组成了超高能宇宙射线？
近几十年来收集的数据显示低能宇宙射线，大多是由质子，原子核和电子组成，它从天空的四面八方而来。科学家认为这种扩散是因为受到了银河系漫布的磁场各个方向的辐射，产生偏移，因此无法直接找到这些射线的来源。超高能宇宙射线则不同，它能量极高，很容易穿过银河系磁场，仅发生极小角度偏移。“我们能够利用这些作为天文信使直接找到其来源。”皮埃尔·俄歇天文台发言人罗孚·恩格尔（Ralph Engel）如是说。
在一次超高能宇宙射线产生的空气簇射中，簇射穿过大气层，瀑布效应涉及到越来越多的粒子。然而，每一次相互作用都会使其失去能量，也就是说簇射粒子的数量逐渐下降，只有一小部分到达地面。但是，通过了解空气簇射在大气中的传播方式，俄歇和望远镜阵列的研究人员可以模拟粒子之间的相互作用，从而推断出簇射在大气中的峰值位置。通过结合瀑布效应峰值和测量到的瀑布效应能量，他们可以推断出超高能宇宙射线的质量，从而确定其特性。
俄歇的科学家应用这种方法之初，他们希望最高能量的宇宙射线只是由质子组成。事实却恰恰相反，他们发现了一些奇怪的东西。当超高能宇宙射线的能量从1018 eV增加到1020 eV时，质量也随之增加。恩格尔解释说：“我们从能量大约1019电子伏特的大量质子开始研究。”“突然，有一个氦(核)发生了巨大的性质改变，元素质量到达碳和氮之间。”
超高能宇宙射线的质量随着射线能量的升高而增长，这是个困扰着理论物理学家和实验物理学家的难题。令俄歇天文台的科学家感到棘手的是，更重的超高能宇宙射线更容易因银河系磁场产生偏移，这使得找出它的来源变得更加困难。另一方面，对于克里特岛大学(University of Crete)的瓦西里基·帕夫里杜(Vasiliki Pavlidou)等理论物理学家来说，这个问题更为根本：它可能挑战我们对高能物理学的整个理解。她说：“如果处于最高能量的初级粒子确实变得越来越重，我们不得不接受一些令人不安的巧合。”
超高能宇宙射线穿过地球大气层，发生瀑布效应产生空气簇射，极少数射线能到达地面（图源：马克·加里克Mark Garlic 科学图片库）
学界普遍认为，超过一定能量的宇宙射线在宇宙微波背景中与光子相互作用时时会急速失去能量，也就是说地球上观测的超高能宇宙射线的能量的极限是1020eV。然而，假设受测粒子随着能量的增加而增重，那么首先加速超能宇宙射线的天体物理过程，——不管它是什么——都必须以接近其最高能量的速度运行(较轻的粒子会因为体积太小而无法达到那些高能量)。因此，超高能宇宙射线的1020 eV能量极限是由两个完全不相干的过程控制的：粒子怎样在河外源头加速，又怎样在星际空间中失去能量。这是第一个奇怪的巧合。
第二个巧合关于银河系内部的宇宙射线和来自其他地方的宇宙射线。银河系内的宇宙射线在能量为3×1018eV时无法观测，这与银河系外宇宙射线随能量增加而变重的起始能量完全相同。这绝不寻常，因为银河系内和银河系外的宇宙射线来自不同源头（即使我们仍然不知道后者的来源）。
既然这两个巧合都取决于完全不相关的物理过程和特性，为什么它们会在相同的能量尺度上发生呢？原因之一可能是这些巧合根本不存在。如果银河系外的宇宙射线没有因为能量而变得更重，而总是维持质子形态，那就肯定是这样，这种巧合就会逐渐消失。事实上，帕夫里杜和她的克里特岛同事西奥多·托马拉斯认为，超高能宇宙射线可能主要由质子构成，唯一的困难是一些未被实践证明的物理现象，这些现象会影响一定能量以上的空气簇射。
这听起来可能很奇怪，但我们有充分的理由不完全拒绝这个想法。物理学家基于对粒子物理学标准模型的理解，对空气簇射中的粒子如何相互作用进行了建模，但从未在高能量下进行过测试(甚至不曾用在大型强子对撞机上)。此外，这些模拟远不能解释所有观测到的空气簇射特性。所以有两个差强人意的选择：宇宙射线要么是质子，新的物理现象使它们显得很重，要么是重粒子，那标准模型就需要进行极大的调整。
但如果是质子构成了超高能宇宙射线，要弄清楚质子如何伪装成更重的粒子，则需要一些不同寻常的思考。有一种令人兴奋的可能，即质子的最初碰撞产生了一个迷你黑洞，它的存在是由额外维度理论预测的。“对于合适数量的额外维度，质子实际上可以拥有预期质量，”托马拉斯解释说，“迷你黑洞会瞬间衰变为大量共享黑洞能量的强子，让质子呈现出很重的状态。”
另一种可能是预设量子色动力学(QCD)中尚未发现的相确实存在——该理论描述了夸克是如何被束缚在质子、中子和其他强子中的。然而，托马拉斯承认，这些都是“奇异”的可能。“我们还没有发现大的额外维度，”他说，“我们合理怀疑迷你黑洞很可能太小而不能支撑我们的想法，此外，我们对量子色动力学的相没有足够强有力的定量的理解。然而，如果证据表明超高能宇宙射线的表面是质子，托马拉斯认为这些奇异现象在自然界中发生是“几乎不可避免的”。
是什么加速了超高能宇宙射线？
撇开是什么构成了超高能宇宙射线的不确定性不谈，真正重要的问题是：是什么让它成为这样的物质？关于这一点，研究起来更加复杂。直到本世纪，一些物理学家还在探索着像“自上而下模型”这种奇特想法，这种模型不同于标准模型。其想法是，某种高能的、未知的物体，比如质量大于质子1012倍的超重暗物质，会衰变为超高能宇宙射线中的粒子。这些模型的缺陷在于，它们认为宇宙射线应该以光子和中微子为主，而来自皮埃尔·俄歇天文台、望远镜阵列和其他地方的数据表明，宇宙射线主要是带电粒子。恩格尔这样说：“没有人再尝试建立这种自上而下的模型了。”
虽然还没有完全排除暗物质是超高能宇宙射线的来源，但研究人员正在认真考量极端剧烈的天体物理活动是否会导致如此高的能量。脉冲星、伽马暴、活动星系核的喷流、星爆星系和其他可能都在猜测范围之中，研究人员的观点摇摆不定。
意大利格兰萨索科学研究所的罗伯托阿洛伊西奥（Roberto Aloisio）认为，从表面上看，俄歇天文台的研究结果——即在更高的能量下，超高能宇宙射线粒子质量越重——是一项重要的进展。他解释说：“重原子核比质子更容易加速，因为加速机制必然会感知粒子的电荷，而重原子核比质子的电荷更大。”因此，阿洛伊西奥建议俄歇天文台将脉冲星作为超高能宇宙射线来源进行研究，脉冲星会产生更重的元素，并且能驱动这些粒子达到必需能量。（援引自Prog.Theor.Exp.Phys. 12A102）
然而，目前有一个超高能宇宙射线来源备选的可能性远大于其他备选。纽约城市大学的路易斯·安克拉多基(Luis Anchordoqui)是500强俄歇团队的一员，他说：“要我打赌的话，我肯定会把全部筹码放在到星爆星系上。”星爆星系是宇宙中最明亮的星系，它们以极快的速度形成恒星。安克拉多基和他的同事在1999年首次假设，某种巨大集合力将附近的星爆星系核加速到具有超高能量，加上大量超新星爆炸星系，会在星系的中央高密度区域创造出星系级的气体“超星风”。
随着超星风逐渐扩张，其密度会降低，流速会减慢到亚音速——实际上，这就阻止了超星风本身的前进。“这会产生巨大的冲击波，类似于原子弹爆炸，但威力要大得多。”安丘多基（Anchordoqui）说。
最为重要的是，这个扩散激波加速（简称DSA）的过程，可以激发气体粒子达到接近光速。粒子受到磁场的限制，反复穿过激波前沿，从而获得能量增量。粒子绕着天体物理加速源转了一圈又一圈，这些微小的能量不断增加，直到达到逃逸速度，飞向太空。安丘多基在俄歇天文台最新发现的基础上重新审视了这一推论。（援引自：Phys Review D97 063010物理评论）
扩散激波加速并不仅仅发生在星爆星系，它也常常用于解释其他超高能宇宙射线可能来源——包括伽马暴、活动星系核等等——的粒子加速。然而在初，宾夕法尼亚州立大学的Kohta Murase和同事证明了还有一种加速机制可能在起作用。（援引自：Phys Review D97 023026物理评论）
在他们的模型中，存在于特定星系中的普通宇宙射线，通过一种叫做离散剪切加速度的机制，受到活跃星系核的强大喷流赋予的巨大能量而推进寄宿。这是一个复杂的过程，包括粒子之间的相互作用、磁场中的局部扰动以及射流不同部分的速度差异（或“剪切”）和环境茧。但最终的效果与DSA相似。“宇宙射线通过在剪切边界附近的来回散射获得能量。”Murase解释说，在加速之后它们通过常常在喷流末端发现的射电叶逃逸。
之后，来自马里兰大学的Murase和Ke Fang (援引自Nature Phys. 14396自然物理)重新提出了一个观点，即星系聚合体中强大的黑洞喷流可以为超高能宇宙射线提供动力。首先，他们将自己的模型与俄歇观测到的超高能宇宙射线通量和成分数据进行了比较，发现其与实验观测结果良好吻合。但最有趣的是，他们发现，通过详细描述活跃星系核如何产生超高能宇宙射线、中微子和伽马射线，他们可以同时解释南极冰立方中微子天文台、费米伽马射线太空望远镜和俄歇望远镜收集到的数据。“最美妙的可能性是，这三种信使粒子都来自同一类源。”Murase补充道。
超高能宇宙射线来自何处？
如果我们知道超高能宇宙射线来自天空的哪个部分，寻找它们的来源这一任务就会容易得多。但在宇宙射线科学中没有“容易”这个词。俄歇天文台和望远镜阵列的科学家并不气馁，他们制作了可能加速超高能宇宙射线的可能候选对象的目录，然后将目录中的星系核观察到的宇宙射线的到达方向相匹配。随着越来越多的数据的到来，这两家机构都已经确定了一个区域，该区域似乎是这些射线的主要来源。
奇异源头:位于大熊星座1200万光年之外的星爆星系M82(上图)可能是超高能宇宙射线的诞生地。(图源: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA))
在俄歇天文台的研究中，这块区域有许多星爆星系，但半人马座——距离银河系最近的巨型星系，它拥有活跃的星系核——也位于此处。至于望远镜阵列，它的“热点”就在大熊星座下方，这更清晰地指示了宇宙射线的到达方向，探测到的超高能宇宙射线信号有四分之一来自以个40°的扇形区域，而这个扇形只占天空的6%。尽管M82星爆星系位于大熊星座(Ursa Major)约1200万光年之外的热点地区，但这片天空中其他各种类型的天体也可能是超高能宇宙射线的诞生地。
恩格尔说：“如果你认为它是星爆星系，其相关性导向了M82星系，如果你认为它是活动星系核，相关性则导向半人马座。”“尽管这些数据与星爆星系相关性更高，但这并不意味着它们就必然是超高能宇宙射线的来源。”
我们不知道超高能宇宙射线是什么，也不知道是什么加速了它，因而我们也无从探寻它究竟源于天空何处。然而，我们可能很快就会找到答案。对皮埃尔·俄歇天文台和望远镜阵列的升级正在进行中，研究人员也正在探索新的设施，如极端多信使天体物理(POEMMA)探测卫星。
这些奇妙的粒子来自何处，质量几何，这些奥秘终将在一个世纪内水落石出。
作者:Benjamin Skuse
FY:Maurice
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