پرتوهای کیهانی، یا ذرات اخترفیزیکی، ابزاری هستند که اخترشناسان از طریق آن‌ها می‌توانند کیهان را مطالعه کنند. این ذرات باردار که عمدتاً شامل پروتون‌ها و هسته‌های اتم‌هایی هستند که الکترون‌های خود را از دست داده‌اند، با سرعتی نزدیک به سرعت نور در فضا حرکت می‌کنند. با ردیابی این ذرات تا رسیدن به منشأ آن‌ها، دانشمندان می‌توانند درک عمیق‌تری از نیروهایی که منظومه شمسی و کهکشان راه شیری را در مقیاس کلان شکل داده‌اند، به دست آورند. هنگامی که پرتوهای کیهانی به زمین می‌رسند، اغلب توسط مگنتوسفر زمین منحرف می‌شوند، اما برخی از آن‌ها موفق می‌شوند وارد جو شده و به سطح سیاره برسند.

در سال ۲۰۲۱، دانشمندان در پروژه بین‌المللی آرایه تلسکوپی (TAP) یکی از پرانرژی‌ترین ذرات اخترفیزیکی ثبت‌شده تاکنون را شناسایی کردند که به افتخار الهه خورشید ژاپنی، Amaterasu نام‌گذاری شد. این ذره با انرژی‌ای حدود ۴۰ میلیون برابر بیشتر از ذراتی که در برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) با یکدیگر برخورد داده می‌شوند، دومین پرتو کیهانی با بیشترین انرژی مشاهده‌شده تاکنون محسوب می‌شود. به لطف تحلیل انجام‌شده توسط فرانچسکا کاپل و نادین بوریش از مؤسسه فیزیک ماکس پلانک (MPP)، دانشمندان اکنون یک گام به حل معمای منشأ آن نزدیک‌تر شده‌اند.

هنگامی که ذره Amaterasu وارد جو زمین شد، آرایه TAP در ایالت یوتا سطح انرژی بیش از ۲۴۰ اگزاالکترون‌ولت (EeV) را ثبت کرد. چنین ذراتی فوق‌العاده نادر هستند و گمان می‌رود در برخی از شدیدترین و افراطی‌ترین محیط‌های کیهانی شکل گرفته باشند. در زمان شناسایی، دانشمندان اطمینان نداشتند که این ذره یک پروتون، یک هسته اتمی سبک یا یک هسته اتمی سنگین مانند آهن بوده است. پژوهش‌ها درباره منشأ آن به سمت ناحیه‌ای موسوم به خلأ محلی (Local Void) هدایت شد؛ منطقه‌ای وسیع از فضا در مجاورت گروه محلی (Local Group) که دارای تعداد اندکی کهکشان یا جرم شناخته‌شده است.

این مسئله معمایی جدی برای اخترشناسان ایجاد کرد، زیرا این ناحیه عمدتاً فاقد منابعی است که توانایی تولید چنین ذرات پرانرژی‌ای را داشته باشند. بازسازی انرژی ذرات پرتو کیهانی ذاتاً دشوار است و همین امر جست‌وجوی منشأ آن‌ها را با استفاده از مدل‌های آماری به چالشی ویژه تبدیل می‌کند. کاپل و بوریش برای مقابله با این چالش، شبیه‌سازی‌های پیشرفته را با روش‌های آماری مدرن، از جمله محاسبه تقریبی بیزی، ترکیب کردند تا نقشه‌های سه‌بعدی از انتشار پرتوهای کیهانی و برهم‌کنش آن‌ها با میدان‌های مغناطیسی در کهکشان راه شیری تولید کنند.

تحلیل آن‌ها نشان می‌دهد که منشأ ذره Amaterasu احتمالاً به یک ناحیه خالی منفرد در کیهان محدود نمی‌شود و می‌تواند در طیف گسترده‌تری از محیط‌های کیهانی نزدیک قرار داشته باشد. یکی از نامزدهای مطرح‌شده، کهکشان M82 است که در فاصله حدود ۱۲ میلیون سال نوری از زمین قرار دارد. بوریش اظهار داشت که نتایج ما نشان می‌دهد به جای آن‌که این ذره در منطقه‌ای کم‌چگال مانند خلأ محلی شکل گرفته باشد، احتمال بیشتری وجود دارد که در یک کهکشان ستاره‌ساز نزدیک مانند M82 تولید شده باشد.

رویکرد آن‌ها که ترکیبی از شبیه‌سازی‌های مبتنی بر فیزیک و داده‌های مشاهده‌ای واقعی است، گامی مهم در مسیر حل معمای منشأ Amaterasu به شمار می‌رود. این رویکرد همچنین چارچوب تحلیلی جدیدی برای ردیابی منابع پرتوهای کیهانی با انرژی فوق‌بالا (UHE) فراهم می‌کند. افزون بر این، روشی که توسط کاپل و بوریش توسعه یافته، تلاش‌های موجود را تکمیل می‌کند؛ زیرا امکان ایجاد پیوندی نزدیک‌تر میان نظریه و مشاهده و نیز ترکیب اطلاعات حاصل از مشاهدات گوناگون را فراهم می‌آورد.