地球不断接收到来自宇宙的高能粒子，即宇宙线。理论上，这些粒子的能量存在一个上限，即 GZK 截止，但我们观测到的“天哪粒子”和“天照粒子”等超高能宇宙线的能量远超此限。最简单的解释并非需要颠覆性的新物理学，而是这些超高能粒子可能不是质子，而是质量更大的重原子核。由于它们的能量阈值更高，因此能够突破 GZK 截止的限制。尽管如此，这些粒子的确切来源至今仍是一个谜。
宇宙射线的能量之谜
宇宙中充满了高能粒子，它们被称为宇宙线，其中绝大部分是质子。这些粒子的能量有高有低，能量越高的越稀少。理论上，宇宙线的能量存在一个上限。
- GZK 截止： 宇宙并非完全空无一物，而是充满了大爆炸后遗留下的光子。当一个高能质子在星系际空间中穿行时，会与这些光子发生碰撞。
- 能量损失： 当质子能量超过一个特定阈值（约 50 EeV）时，碰撞会产生新的亚原子粒子（π介子），这个过程会使质子损失掉约 20% 的能量。
- 理论上限： 经过数百万光年的长途旅行，任何质子的能量都应该会因反复的能量损失而降低到 GZK 截止值以下。因此，我们本不应该在地球上探测到能量超过此限制的质子。
然而，观测结果与理论相悖。1991年，科学家探测到一个能量高达 320 EeV 的粒子，被称为“天哪粒子”。2021年，又探测到一个能量为 240 EeV 的“天照粒子”。这些发现表明，我们对宇宙线的理解存在缺失。
一种被忽视的简单解释
面对这些超高能粒子，一些科学家提出了各种奇异的猜测，甚至认为可能涉及未知的物理学。
“这可能是时空结构的缺陷，或者是宇宙弦的碰撞。我的意思是，我只是在胡乱猜测一些疯狂的想法，因为目前没有一个常规的解释。”
但其实，存在一个非常简单的解释，却常常被忽略：这些超高能粒子可能根本不是质子。
宇宙线中除了大约 85% 的质子和 10% 的氦核外，还有约 1% 是更重的原子核，例如碳、氧、铁等。
- 更高的能量承载： GZK 截止限制的是单个质子（或中子）的速度和能量。一个由多个质子和中子组成的重原子核（如一个铁原子核包含 56 个核子），其整体可以携带远高于单个质子的能量，而其内部每个核子的能量仍未达到 GZK 截止的阈值。
- 无需新物理学： 这意味着，我们不需要借助“相对论是错的”或“存在未知的宇宙加速器”等激进想法来解释这些现象。最简单的假设是，我们观测到的超高能宇宙线，其实就是这些高速飞行的重原子核。
依然存在的终极谜题
虽然“重原子核”假说可以很好地解释这些粒子的超高能量，但一个更根本的谜题依然悬而未决：它们的来源是什么？
尽管我们拥有了更先进的探测器，可以更精确地确定这些粒子的来源方向，但结果却令人困惑。
- 它们似乎来自天空中的随机方向，既不聚集也不成群。
- 它们的来源方向与任何已知的高能天体都没有关联，例如中子星、超大质量黑洞、超新星或活动星系核。
因此，真正的谜团并非“为什么这些粒子能量这么高”，而是“究竟是宇宙中的什么天体或机制将它们加速到了如此惊人的程度”。我们知道这些粒子存在，也倾向于认为它们有传统的天体物理学成因，但我们就是找不到它。