一个超重粒子可能有助于解释现代天体物理学中最令人费解的谜团之一：有史以来探测到的能量最强的粒子的起源。超高能宇宙射线是来自太空的粒子，它们以远远超出人类建造的粒子加速器所能产生的能量撞击地球。其中最为惊人的例子是“天照粒子”，它于2021年在犹他州的望远镜阵列中被探测到，并以日本神话中的太阳女神命名。其报告的能量使其在所观测到的宇宙射线事件中排名第一，和1991年记录的“哦，我的上帝粒子”处于同一稀有范畴。然而，科学家们仍然不知道它的来源，甚至不知道它究竟是什么。超重的宇宙射线 由宾州州立大学科学家主导并发表在《物理评论快报》上的新研究表明，一些能量最高的宇宙射线可能是重于铁的原子核。原子核是原子的紧凑中心，由质子和中子组成。它们几乎占据了原子质量的所有部分，而仅占其总体积的一小部分。根据团队的计算，这些超重的原子核在跨越星际空间时可能比质子或较轻的原子核更慢地损失能量。这意味着它们可以在旅途中存活，同时仍携带极大的能量。这项研究与位于日本的荣川理论物理研究所、弗吉尼亚理工大学及其他机构的合作人员共同进行，可能有助于科学家们识别出足够强大以发射这些粒子的宇宙物体。宾州州立大学厄贝尔科学学院物理学和天文学与天体物理学教授、研究团队负责人村濑浩太表示：“超高能宇宙射线只能由宇宙中一些最强大的源加速。当我们在地球上探测到像天照粒子这样的单个宇宙射线粒子时，我们通常可以利用它们的能量、到达方向和预期的磁偏转推断它们可能的宇宙来源。” 天照粒子的谜团 天照粒子特别难以解释，因为其估计的到达方向指向宇宙空洞，一个没有明显可以产生超高能宇宙射线的源的区域。村濑说：“超高能宇宙射线的起源和加速机制在这一领域已经是60多年来最大的谜团之一，自从第一次报告以来就是如此。”这些稀有粒子可以超过100个exa电子伏特，即100万亿电子伏特。这使其比大型强子对撞机内部加速的粒子能量高出约七个数量级，或1,000万倍。天照粒子的能量约为240个exa电子伏特，使得一个微小的宇宙射线粒子具有与快速移动的网球相仿的动能，这使得其成为迄今为止探测到的能量最强的宇宙射线之一。村濑表示：“这些能量最高的宇宙射线被认为来自极端天体物理来源，例如两个中子星碰撞或一颗大质量恒星的坍塌。”在许多宇宙射线事件中，其能量分布、到达方向模式和统计推断的成分提供了关于这些粒子来自何处以及它们是如何被加速的重要线索。 模拟极端粒子 为了研究哪些粒子仍然可以以如此非凡的能量到达地球，研究人员进行了详细的计算机模拟。他们模拟了不同大小的粒子在穿越星际空间时如何获取或失去能量。村濑说：“我们的研究表明，在与天照粒子相当的能量下，超重的原子核比质子或中等质量的原子核更慢地损失能量，使它们更能够在宇宙距离中存活并以极高能量到达地球。我们并不是说所有超高能宇宙射线都是超重的原子核。但是，如果一些最高能量事件是超重的原子核，这将影响我们如何寻找它们的源。”该团队的计算还设定了这些超重原子核对观察到的超高能宇宙射线的总体贡献的新限制。 激烈的宇宙起源 村濑表示：“产生和加速这些超重原子核的最有前景场所是大质量恒星的死亡，涉及到爆炸性的坍缩成黑洞或强磁化中子星，以及被认为是强重力波发射体的双中子星合并。这些剧烈的宇宙现象还可以驱动伽马射线暴，这是宇宙中最能量强大的爆炸之一。这些来源的贡献也可能有助于解释在超高能宇宙射线光谱中观察到的北半球和南半球之间可能存在的差异。