恒星耀斑和超新星、伽马射线暴和巨型撞击——宇宙从不缺乏撞击我们星球的方式。其中最奇特和最神秘的是超高能宇宙射线（UHECR），这些来自未知区域、重量大但体积微小的粒子，偶尔会以接近光速的速度撞击我们的星球。每个超高能宇宙射线通常都是单独且毫无预警地到来，就像一颗天体高速子弹，撞击我们的大气层，并在次级粒子的级联中爆炸，这些次级粒子在如雨点般落到地表时，会闪烁着难以察觉的短暂光芒。尽管地基探测器此前已经通过这种“空气簇射”发现了一些能量极高的超高能宇宙射线，但在2021年春末撕裂犹他州天空的那一次尤其引人入胜。它被发现者命名为“天照大神”（日本神话中的太阳女神），这个单独的超高能宇宙射线显然以其亚原子形式蕴含着投掷砖块的力量，使其成为30多年来地球上观测到的能量最高的粒子。最令人好奇的是，它似乎来自一片虚空——一片广阔的宇宙空旷区域，那里没有恒星、星系，以及几乎所有其他可能成为明显天体物理来源的东西。
天照大神于 2021 年 5 月 27 日凌晨袭击地球，将由μ子、胶子和其他次级粒子组成的空气簇射送入望远镜阵列的 500 多个探测器中的 23 个，该项目遍布犹他州 700 平方公里的沙漠。研究人员通过拼凑这些粒子，推断出入射的超高能宇宙射线必定具有约 244 百万电子伏特 (EeV) 的能量，相当于一颗投掷得很好的棒球，比世界最强大的物理实验——大型强子对撞机中碰撞的粒子能量高数百万倍。“我当时想这一定是搞错了，”日本大阪府立大学的藤井俊博说道，他在阵列的数据中发现了这个粒子。然而，事实并非如此。该发现于 11 月 23 日发表在《科学》杂志上。
只有另一个已知的超高能宇宙射线的能量超过天照大神：著名的 1991 年的“我的天啊粒子”或“OMG 粒子”，其能量达到 320 EeV。那个记录保持者也撞击了犹他州——并非因为宇宙的任何怨恨，而仅仅是因为，无论过去还是现在，犹他州平坦的地形和黑暗的天空使其成为北半球超高能宇宙射线探测器的中心。在南半球，皮埃尔·奥杰天文台——一个由 1600 个探测器组成的网络，横跨阿根廷偏远地区 3000 平方公里——与望远镜阵列的北半球有利位置互为补充。这两个项目多年来共同发现了数十个超高能宇宙射线，然而，只有少数几个——最初的 OMG 粒子和天照大神——的估计能量超过了 200 EeV。统计数据表明，如此强大的信使到达地球表面的频率仅为每平方公里每世纪不到一次。加州大学圣克鲁兹分校的 Noémie Globus 说，在天文学家目录中确认的那些，“你可以用一只手就数得过来”，她是新的《科学》论文的合著者。
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通过研究超高能宇宙射线的次级粒子簇射，科学家可以重建其碰撞轨迹，以追踪其穿过太空的可能路径，从而查明可能的天体物理来源。这些努力使研究人员能够通过不同超高能宇宙射线之间的相关性来寻找共同来源，一些可能的“热点”开始出现。然而，天照大神使情况变得复杂，因为它似乎起源于本星系空洞，这是一个毗邻银河系的贫瘠星系际空间。“它来自本星系空洞这一事实真的非常令人费解，”牛津大学的詹姆斯·马修斯说，他没有参与这项新发现。
这个谜题的另一个层面是，没有人确切知道天照大神是什么类型的粒子——不同类型的粒子对宇宙磁场和背景辐射的敏感性不同，这些因素会弯曲它们在太空中的路径。如果天照大神是一个质子，正如一些专家所暗示的那样，它受到的弯曲会很小，并且起源于本星系空洞的中心附近。但如果它是一些更重的东西，例如铁原子的质子和中子堆积的原子核，它将与磁场发生更强的相互作用，表现出更大的弯曲。在这种情况下，天照大神的起源可能在本星系空洞的边缘附近，靠近一个名为 NGC 6946 的星系。
犹他大学的约翰·马修斯是该发现论文的合著者，他倾向于质子解释，因为天照大神的空气簇射的成分和方向。“这些都指向了这个超高能量范围内的质子，”他说。这可能反过来表明，来源是宇宙中最强大的引擎之一：位于“活动”星系中心的超大质量黑洞，它们吞噬物质并喷射出高速质子和其他亚原子粒子流。附近的一个候选者是半人马座 A 星系。半人马座 A 星系距离地球 1300 万光年，是离地球最近的活动星系，科学家们已经看到一些超高能宇宙射线可能聚集在那里。
其他人则倾向于更重的原子核解释。“如果你让我押注它是什么，我会说它是一个铁核，”纽约大学的格伦尼斯·法拉尔说，她没有参与这项新发现。在这种情况下，主要问题将是一个庞大的原子核如何在残酷的加速到相对论速度的过程中幸存下来，成为一个极端的超高能宇宙射线。“与加速它的过程相比，它是由相对较弱的能量结合在一起的，”最初的 OMG 粒子的共同发现者、犹他大学的戴维·基达说。“这就像试图拿起一团果冻并加速它，而又不破坏它。”
法拉尔说，一个所谓的潮汐瓦解事件，其中一颗恒星被超大质量黑洞撕裂，可能是铁核超高能宇宙射线的一种产生途径。人们认为这种事件在星系中很常见，并且可以解释为什么超高能宇宙射线源广泛分散在天空中，只有少数候选热点。法拉尔说，也许天照大神的来源“恰好是一个恒星非常靠近其超大质量黑洞的星系”。“我认为这是最合理的解释。你不需要任何牙仙子。”
科学家们正忙于升级望远镜阵列和奥杰天文台，以寻找答案。计划将前者在未来几年扩展到目前大小的四倍，从而实现更多超高能宇宙射线的探测和更好的跟踪，以帮助寻找任何热点。与此同时，奥杰天文台正在进行无线电天线的重要升级，以增强其光学探测器。“[无线电]为你提供了质子和铁的不同特征，”格洛布斯说，这使研究人员能够区分两者，从而缩小可能的天体物理来源范围。
一项拟议的耗资数十亿美元的太空望远镜也可能大大增加我们的理解。它被称为极端多信使天体物理探测器（POEMMA），它将从上方注视地球大气层——一个崇高的位置，这将使更多来自入射超高能宇宙射线的闪光进入视野，并可能使探测数量增加 10 倍。美国宇航局尚未批准该项目，但目前正在考虑在 2030 年代提供潜在的发射机会。“他们必须说服美国宇航局，”英国利兹大学的名誉教授艾伦·沃森说，他建立了奥杰天文台，但没有参与这项新发现。“太空实验的竞争非常激烈。”
目前，谜团仍然存在；唯一真正确定的是，超高能宇宙射线的硬雨将继续——我们将继续寻找它们神秘的起源。在某个地方，至少有一个极其暴力的过程正在推动已知物理学的边界，将它们送往我们这里。“这些都是令人惊叹的事件，”约翰·马修斯说。“我们想知道它们来自哪里以及如何到达这里。”