自从20世纪60年代被发现以来，超高能宇宙射线一直吸引着科学家，他们想知道这些射线来自哪里。像所有宇宙射线一样，它们的名称可以说具有误导性：它们不是辐射“射线”，而是亚原子粒子，例如质子甚至整个原子核，在太空中高速穿梭。如此超高的能量来自接近光速的超高速度。
要被认为是“超高能”宇宙射线，其能量必须达到百亿亿电子伏特，或 1,000 皮电子伏特 (PeV) 级别，大约相当于在键盘上敲击一个字符所需能量的百分之一。将如此大的能量压缩到一个如此微小的物体中——比一粒尘埃小万亿倍——远远超出了人类加速器的能力，人类最好的加速器也只能产生能量大约相当于一只飞行的蚊子的粒子。
尽管平均超高能宇宙射线已经令人震惊，但研究人员设法观察到的极其罕见的佼佼者真正令人惊叹，其能量高达 300 倍——惊人的 30 万 PeV。作为参考，这意味着一个特别快速的亚原子弹丸从深空疾驰而来，可以产生相当于一个击打良好的网球的冲击力。
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天体物理学家尚不清楚究竟是什么加速了这些粒子达到如此惊人的速度，但他们迫切希望找出答案。唯一可能的罪魁祸首是真正灾难性的事件——例如大质量恒星的爆炸性死亡或银河系以外超大质量黑洞的贪婪吞噬——这意味着这些非凡的粒子一定是来自银河系外深处的信使，携带着来自宇宙中一些最极端物理现象的秘密。
然而，这里存在一个大问题。作为带电粒子，所有宇宙射线在传播过程中都会受到它们接触到的任何电磁场的干扰，这使得几乎不可能追溯到它们真正的天体起源。幸运的是，研究人员发现，大自然提供了另一种前进的方式：研究中微子，这是一种电中性粒子，被认为与最高能量宇宙射线来自同一来源。
“我认为中微子是完美的信使粒子，”芝加哥大学的天体物理学家阿比盖尔·维雷格说。“它们的独特之处在于，它们可以从宇宙遥远的地方传播而来，而不会与任何东西相互作用，也不会在到达这里的途中被磁场弯曲。”
用中微子探测宇宙
一个普通的中微子有 50% 的机会完全毫发无损地穿过一光年的铅——9.5 万亿公里的致密金属。这种深刻的冷漠赋予了这些粒子超越其他信使的优势：因为它们很少与物质相互作用，所以中微子直接指向它们来自的地方。但这又是一把双刃剑。像穿过透明物质一样穿越宇宙的不可避免的后果是，中微子通常以同样的方式穿过地球上的探测器——不留痕迹。
为了增加观测到中微子的几率，科学家们必须建造巨大的探测器，例如南极的冰立方实验，该实验由一立方公里的南极冰组成，并装配有光学传感器阵列。作为世界上最大的中微子观测站，冰立方搜索当中微子与冰中的分子碰撞时产生的带电粒子簇射发出的闪光。2018 年，冰立方报告来自巨型耀斑类星体的中微子。最近在 2 月份，它看到了来自一颗被黑洞撕裂的恒星的中微子的证据。
但对于最高能量的中微子，“冰立方就力不从心了，”维雷格说，她指出，至少需要 100 立方公里的冰才能有合理的机会观察到超高能中微子的光学轨迹，因为加速到如此极端速度的粒子极其罕见。问题在于探测单元之间的间距：光在冰中只能传播几十米，然后就会发生散射或被吸收，因此光学阵列必须紧密排列，严格限制了可实现的探测器尺寸。
因此，超高能粒子的来源仍然未被发现，因为 100 立方公里的冰立方式天文台远远超出了技术和经济可行性的界限。为了观察到第一个超高能中微子，天体物理学家们转而关注更经济的无线电探测方法。无线电波在冰中的传播距离比可见光远数百米，因此可以建造更稀疏的探测单元阵列，以覆盖更大的体积，而成本仅为一小部分。
美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家托尼亚·文特斯说：“无线电是未来。” “我认为它是一种互补的探测手段，有可能完成我们发现其他探测技术难以完成的任务。”
中微子无线电辐射
在超高能量下，冰等材料中带电粒子簇射的无线电辐射甚至比光学信号更强烈，这使其成为探索极端宇宙的诱人手段。这种现象被称为阿斯卡扬效应，以俄罗斯-亚美尼亚物理学家古尔根·阿斯卡扬的名字命名，他于 1962 年首次预测了这一效应。
但早期尝试观察阿斯卡扬效应的尝试均告失败，导致人们普遍怀疑它是否可以用于超高能粒子探测。“对于这是否是一种真实效应，存在很多疑问，”夏威夷大学马诺阿分校的天体物理学家彼得·戈勒姆说。“没有多少高能粒子物理学家认真对待这件事。”
尽管如此，一支规模虽小但坚韧不拔的物理学家团队坚持不懈，该领域在 2000 年迎来了转折点，当时他们在斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 的一辆拖车后部证实了阿斯卡扬效应。
现在，在阿斯卡扬预测近 60 年后，无线电波段的中微子探测才刚刚起步。“由此可能产生的新物理学甚至是我们无法想象的，”曾是 SLAC 团队成员的戈勒姆说。“我们将了解宇宙加速器的本质，并观察我们无法通过任何其他方式访问的能量空间区域。”
下一代无线电努力
在夏威夷大学马诺阿分校的戈勒姆的领导下，中微子射电天文学的开创性努力是 ANITA（南极脉冲瞬态天线），它于 2006 年开始收集数据。ANITA 由一套不断更新的天线组成，悬挂在一个巨大的氦气球下方，在 10 年期间进行了大约四次为期一个月的观测活动，每次都在空中翱翔数公里，扫描下方南极冰盖，寻找来自超高能中微子撞击的无线电辐射迹象。
1 月份，美国宇航局资助了超高能观测有效载荷 (PUEO)，这是一个下一代实验，它将建立在 ANITA 的遗产之上。气球载探测器（如 ANITA 和 PUEO）的高空视角使其比地面实验具有独特的优势，因为它们可以在中微子搜索中监测超过一百万平方公里的冰面。PUEO 的首次飞行预计在 2024 年，它将整合多项优于 ANITA 的技术进步，以提高对更多能量的灵敏度，并提高中微子事件率。
但是，气球载搜索所吹嘘的扩大视野被一个事实所抵消，即正是因为天线阵列飞得如此之高，以至于它们可能无法看到来自较弱中微子信号的无线电辐射。另一个缺点是恶劣天气的现实：对于在南极冰盖上进行的任何类型的气球工作来说，恶劣的条件都是经常性的干扰。为了解决这些问题，天体物理学家正在采取“两全其美”的方法，在大量冰中创建新的无线电阵列，然后这些阵列可以与气球载实验协同工作，以获得更广泛的能量覆盖范围。在一些较小规模的努力之后，研究人员正准备安装格陵兰无线电中微子天文台 (RNO-G)，这是一个由芝加哥大学领导的冰内实验。
“RNO-G 将是迄今为止在冰中建造的最大的无线电探测器，在未来三年内将安装 35 个天线站，”宾夕法尼亚州立大学参与天文台建设的天体物理学家斯蒂芬妮·维塞尔说。许多研究人员乐观地认为，RNO-G 将很快首次探测到超高能中微子，从而初步窥探极端宇宙。
但如果没有，冰内无线电阵列概念将被扩大规模，用于冰立方提出的继任者冰立方-Gen2，后者将有 200 个天线站环绕一个增强的光学系统。“冰立方可以看到能量高达约 10 皮电子伏特的中微子。但随着无线电组件的加入，这个能量范围将上升到数千甚至数十万，”维雷格说，她是 PUEO 和 RNO-G 的首席研究员。这种扩大的能量范围仅占冰立方-Gen2 总预算的 10%，这令人印象深刻地证明了无线电探测的成本效益。
一种更新颖的探测策略将寻找来自空气而不是冰中带电粒子簇射的无线电波。前者是由中微子在地下，靠近地球表面相互作用产生的：在合适的条件下，这些掠地中微子可以产生高能粒子，这些粒子会逃逸到大气中并衰变成广泛的、发射无线电波的空气簇射。
这就是巨型无线电阵列中微子探测 (GRAND) 的策略——对于一个规模如此庞大的实验来说，这是一个恰如其分的名字。国际 GRAND 合作组织由法国、中国、荷兰和巴西的机构组织和资助，希望通过一项雄心勃勃的 20 万平方公里无线电阵列（即大约相当于内布拉斯加州大小的阵列）的提案来发现超高能宇宙射线的起源。
哥本哈根大学的天体物理学家毛里西奥·布斯塔曼特说：“这个想法不是建造一个整体阵列，而是建造 20 个每个包含 10,000 个天线的阵列，”他也是 GRAND 提案的合著者。他解释说，这些阵列的位置很重要，因为它们需要位于“无线电静默”区域——远离人工无线电辐射源。迄今为止，GRAND 已在中亚天山山脉确定了几个偏远地点，并计划在世界各地寻找更多地点。
随着各种下一代无线电实验的到来，天体物理学界对最终找到自然界中最有活力和最难以捉摸的信使之一后，未来可能会发生什么而感到兴奋。“我非常期待首次发现超高能中微子，”维塞尔说。“我不确定哪个实验会率先做到这一点，但这将打开一扇通往宇宙的新窗口，其中蕴藏着巨大的发现潜力。”
对于熟悉该领域历史的科学家来说，探索新的宇宙前沿是对过去的致敬：20 世纪物理学通过研究来自天空的粒子而蓬勃发展。“当我们想了解更多超出我们自己的机器所能告诉我们的信息时，我们再次回到宇宙加速器，这是一个自然而然的转变，”布斯塔曼特说。“这就是研究我们宇宙中能量最高粒子的全部目的。”