2021年,美國猶他州沙漠中的一組探測器捕捉到了一個異常信號。這個后來被命名為"天照粒子"的宇宙射線,能量之高足以躋身人類觀測史上最極端事件之列。但比數字本身更令人困惑的是:它從哪來?又是什么東西?
一支由京都大學、賓夕法尼亞州立大學、弗吉尼亞理工大學、東京大學卡弗里宇宙物理與數學研究所等機構組成的國際團隊,最近在《物理評論快報》上發表了一項推測——這些能量最高的宇宙射線,可能并非我們想象的那樣。
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說人話就是:它們可能超重。
這里的"超重"不是形容能量,而是字面意義上的質量。研究團隊認為,部分超高能宇宙射線可能由比鐵更重的原子核構成。如果這一推測成立,我們對宇宙極端加速器工作機制的理解,可能需要重新調整。
要理解這個推測的分量,得先搞清楚我們面對的是什么東西。
宇宙射線是不斷轟擊地球的高能亞原子粒子,主要是質子和原子核,速度接近光速。其中"超高能"有明確定義:能量超過10的18次方電子伏特,也就是100億億電子伏特。作為參照,歐洲核子研究中心的大型強子對撞機能把粒子加速到10的12次方電子伏特量級。超高能宇宙射線比這個還要強一千萬倍。
天照粒子的能量據報約為240×10的18次伏特。1991年發現的"哦我的上帝粒子"(Oh-My-God particle)是另一個著名案例。這些數字背后是一個尷尬的事實:人類造不出這么高能的粒子,甚至想不出怎么造。
賓夕法尼亞州立大學天文學與天體物理學教授、研究團隊負責人村瀨浩太(Kohta Murase)在新聞稿中解釋,這類粒子只能由宇宙中最強大的能源加速產生。當它們在地球被探測到時,科學家可以通過能量、入射方向和預期的磁場偏轉來反推可能的來源。
但問題在于,60多年來,這個"來源"始終沒被鎖定。
天體物理學界的主流假設是,最高能宇宙射線來自極端天體事件——兩顆中子星碰撞,或者大質量恒星爆發成超新星。這些場景能提供所需的能量密度。但研究團隊提出了另一種可能性:或許答案藏在粒子本身的構成里。
牛頓第一定律的公式F=ma在這里派上用場。如果粒子質量更大,同樣的加速機制可能產生更高的觀測能量。鐵原子核有26個質子,比它更重的元素——比如金有79個,鈾有92個——在宇宙射線中并非不存在,但通常被認為不太可能達到如此極端的能量。
研究團隊的分析基于三個觀測特征:能量分布、到達方向的模式,以及統計推斷的組成成分。他們指出,現有數據與"超重核"解釋相容。但這不等于證實。論文用的是推測性語言,而非確定性結論。
這里需要暫停一下,區分幾個層次:
第一,天照粒子被探測到,這是事實。第二,它的能量約為240×10的18次方電子伏特,這是測量值,有誤差范圍。第三,它可能由超重原子核構成,這是研究團隊提出的假說,有待更多數據檢驗。第四,它從哪來、怎么被加速的,目前仍無定論。
科學報道中最常見的失真,就是把第三層包裝成第一層。比如把"研究人員推測"改成"科學家發現",把"與數據相容"改成"已經證實"。這種轉換對讀者是誤導,對科學本身也是傷害。
回到這個研究的價值。它真正的貢獻在于提供了一個新的篩選標準:如果未來能區分宇宙射線的元素組成,我們或許可以區分不同的加速機制。輕核(質子、氦核)和重核(鐵及以上)在磁場中的偏轉行為不同,到達地球的方向分布也會有差異。
這有點像通過彈痕推斷槍支類型。同樣的動能,不同質量的子彈留下的痕跡不同。宇宙磁場就是那張靶紙,粒子是子彈,而我們需要倒推出槍的位置和型號。
但靶紙本身也在移動。銀河系磁場、星際磁場、星系際磁場,層層偏轉疊加,讓溯源變得極其困難。天照粒子的入射方向指向一個相對空曠的天區,沒有明顯的候選天體。這本身也是一個線索——或許它來自更遠的宇宙深處,經歷了更多次偏轉;或許我們的星系磁場模型需要修正。
研究團隊沒有聲稱解決了起源問題。他們的工作是縮小可能性空間:如果超重核解釋成立,那么候選的加速源需要滿足額外約束——不僅要能量足夠,還要能產生并加速足夠重的元素。
這排除了一些模型,也保留了一些。比如,某些類型的活動星系核噴流可能符合條件;中子星合并的拋射物中富含重元素,也是一個候選。但具體是哪一個,或者是否有其他尚未考慮的場景,論文沒有給出答案。
值得注意的一個細節是合作機構的組成。除了美國的賓州州立和弗吉尼亞理工,日本的京都大學和東京大學卡弗里研究所是主力,中國的中科院高能物理研究所也參與其中。超高能宇宙射線研究需要大面積的探測器陣列,猶他州的望遠鏡陣列項目(Telescope Array Project)是目前運行的主要設施之一,由多國團隊共同運作。
這種大規模國際合作在當代天體物理學中已成常態。單個粒子事件就能牽動全球數十位研究者,不是因為人類閑得慌,而是因為數據太稀缺了。像天照粒子這樣的極端事件,望遠鏡陣列運行多年也只捕捉到少數幾例。下一代的觀測設施,比如正在建設中的平方公里陣列(SKA)和提議中的極端宇宙空間觀測站(EUSO),目標之一就是提高探測率。
對普通讀者來說,這項研究的一個啟發或許是:宇宙中最極端的物理過程,不一定需要最復雜的理論來解釋。有時候,答案可能就藏在"這東西是什么"這個最基本的問題里。我們習慣了把高能等同于質子,但宇宙可能比我們更不拘一格。
當然,也可能不是。超重核解釋目前只是與數據相容的多種可能性之一。研究團隊自己在論文中也討論了其他解釋,包括常規的重核加速、或者我們對磁場模型的理解有偏差。科學進展往往發生在這種"既不完全對也不完全錯"的灰色地帶。
60多年的謎團不會在一篇論文中解開。但每一項縮小可能性空間的工作,都在為最終的突破積累條件。天照粒子來自何方,今天仍然沒有答案。但至少我們現在知道,答案可能比我們想象的更重一些。
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