宇宙中的一切速度都遵循極限速度限制，即真空中的光速，這可能是真的，但這並不意味著單個粒子的能量有一個極限。當你逐漸向一個大質量的粒子注入更多的能量時，你可以使它以越來越快的速度運動，漸進地接近宇宙的極限速度。但矛盾的是，粒子的能量越高，就越難準確地檢測和測量它。
宇宙射線
（上圖說明：宇宙射線是起源於整個宇宙的超高能粒子，在高層大氣中撞擊質子併產生新粒子的簇射。快速移動的帶電粒子也會由於切倫科夫輻射而發光，因為它們的移動速度比地球大氣中的光速快，併產生可以在地球上檢測到的二次粒子。）
原因很簡單：為了測量初始粒子的能量，您需要將其衰變和碎片產物的能量沉積在探測器中，從而重建其原始能量、質量、電荷等。要想在宇宙射線能量下工作，必須建造一個超大規模的探測器才能正常工作，因為宇宙射線能量是大型強子對撞機達到的能量的數百萬倍。但是，通過減慢光速，物理學家可以利用一個不可思議的技巧來測量這些宇宙能量。方法如下。
CMS Collaboration探測器
（上個圖說明： CMS Collaboration是迄今為止建造的最大、密度最大的探測器之一。在中心碰撞的粒子將產生軌跡，並將沉積能量的碎片留在探測器中，使科學家能夠重建在探測器過程中產生的任何粒子的特性和能量。這種方法嚴重不足，不足以測量宇宙射線的能量）
當你增加一個粒子的能量時，它就變得越來越容易和另一個粒子相互作用。任何相互作用都有機會通過愛因斯坦E=mc2自發地產生新的粒子和反粒子，或者發射出一個量子輻射：光子。粒子運動得越快，它相互作用的可能性就越大，以至於它會發射出更多的粒子，在這樣做的過程中會損失能量。
當你想到製造能量最大的粒子的方法時，電磁力是最重要的。當你在電場中放置一個帶電粒子時，它會沿著電場的方向加速；當你在磁場中放置一個帶電粒子時，它會垂直於電場的方向和粒子的電流運動而加速。宇宙中最強的自然加速器不在地球上，而是在極端的天體物理環境中：在中子星和黑洞周圍。
（上圖說明：這是藝術家用渲染的圖片描繪黑洞的周圍環境，顯示了過熱等離子體的吸積盤和相對論噴射。我們還沒有確定黑洞是否有自己的磁場，以及獨立於它之外的物質。許多高能宇宙射線都與黑洞或中子星源有關。）
在地球上，我們已經使用粒子加速器使質子和電子等物體接近實驗室條件允許的光速，並且已經非常接近愛因斯坦在1905年提出的極限宇宙速度限制：c或299792458 m/s，但同樣快粒子，而且儘管我們已使粒子獲得了能量，但它們根本無法與我們所看到的宇宙射線的能量進行比較。
- 最快的費米實驗室質子：980 gev；99.999954%光速；299792320 m/s。
- 最快的LHC質子：7 tev；99.999990%光速；299792455 m/s。
- 最快的LEP電子（最快的地面加速器粒子）：105 gev；99.99999999 88%光速；299792457.9964 m/s。
- 最快宇宙射線質子：5×1010 gev；99.999999999999999 73%光速；299792457.999999999992 m/s。
與所有粒子中絕對最快的粒子相比，地球加速器沒有任何機會；它們不屬於同一個等級。
（上圖說明：由哈勃拍攝的NGC1275星系，顯示出一個活躍的、以黑洞為中心的令人難以置信的跡象。來自這個活躍星系的高能輻射和粒子只是眾多天體物理現象的例子之一，這些現象的能量遠遠超過我們在地球上所產生的任何東西。）
在實驗室條件下，我們也許可以很好地控制電場和磁場，但是我們地球上的能量受到我們在地球上建造的電磁鐵和加速器設施的物理限制。它們確實令人印象深刻，但與宇宙實驗室不匹配。
黑洞、中子星、合併恆星系統、超新星和其他天體物理大災難都能將粒子加速到地球上永遠無法比擬的能量。最高能量的宇宙射線運行的如此接近極限宇宙速度極限，以至於如果你將一個超高能量的宇宙射線質子與一個光子向最近的恆星發射，你知道會發生什麼嗎？在近8.5光年的往返旅程中，光子會先到達，但只是勉強到達。質子僅落後22微米，僅在0.7皮秒後到達。
（上圖說明：在數字化的天空測量中，離我們太陽最近的一顆恆星，即半人馬座近地天體，其中心顯示為紅色。雖然像我們自己的類太陽恆星被認為是常見的，但我們實際上比宇宙中95%的恆星質量要大，在比鄰半人馬座的紅矮星類中，四分之三的恆星都是如此。巴納德的恆星是繼半人馬座阿爾法星系之後第二個最近的恆星系統，也是M級恆星。）
這些超高能宇宙射線是由宇宙中的許多源產生的，它們向各個方向運動。偶爾，這些粒子中的一個會有正好的軌道撞擊地球。當那意外事件發生時，那是我們的大機會。這是我們測量到達地面的粒子能量，以及重建原始宇宙射線特性的機會。
然而，我們之所以能夠做到這一點，是因為我們有一個環繞地球的大氣層。在幾百公里厚的地方，這種大氣就像一種介質，而不是一個完全純淨的真空。雖然真空中的光速是固定不變的為299792458 m/s，但介質中的光速就會變慢。即使是接近真空的空氣，也會將光減慢到其真空速度的99.97%。
（愛達荷州國家實驗室的先進試驗堆芯並不是因為有藍光而發出藍光，而是因為這是一個產生相對論帶電粒子並被水包圍的核反應堆。當這些粒子穿過水時，它們超過了該介質中的光速，導致它們發出契倫科夫輻射，這種輻射看起來像是發光的藍光。）
0.03%的減速並沒有那麼大，但它確實使一些值得注意的事情發生了：那些與大氣接觸的高能粒子會發現自己的移動速度比這個介質中的光速還要快。當這種情況發生時，它們會發出一種特殊類型的輻射：藍光以特定角度呈圓錐形發出，稱為契倫科夫輻射。
為了達到這個目的，核反應堆周圍被水包圍，這些核反應堆發射的快速移動的粒子可能會照射到人類。它們保護人們不受反應堆釋放的粒子的影響，因為這些粒子被水減慢了速度，反而發出了無害的藍光。能量就是能量，通過把它從粒子本身帶走並轉化為光，這是確保附近的人安全的一個很好的方法。
（上圖說明：這個動畫展示了相對論帶電粒子在介質中比光移動得快時會發生什麼。相互作用使粒子發出一種稱為契倫科夫輻射的輻射錐，這種輻射錐取決於入射粒子的速度和能量。探測這種輻射的特性是實驗粒子物理學中一種非常有用和廣泛的技術。）
當宇宙射線撞擊我們的大氣層時，它的運動速度比核反應堆產生的任何粒子都快得多，但物理性質卻完全相同。發射的契倫科夫輻射將以特定的頻率發生，該頻率可根據宇宙射線的能量範圍計算。這種輻射將由伽馬射線組成，由於它是在如此高的高度（數百公里以上）產生的，因此需要大量對伽馬射線敏感的地面望遠鏡來探測。
那麼，我們的想法是建造一個“契倫科夫”望遠鏡陣列，能夠探測來自地球各地的光線。當你看到合適圓錐體的一小部分，並能追蹤到單個粒子時，你可以用一種全新的方式重建它的屬性。雖然這只是一個擬議中的項目，但預計在今年結束前開始建設。
“契倫科夫”望遠鏡陣列
（上圖說明：這個“契倫科夫”望遠鏡陣列包含100多臺伽馬射線望遠鏡，這些望遠鏡能夠測量大量的粒子能量，甚至其原始位置。通過建議的CTA，我們也許最終可以瞭解是什麼來源產生這些超高能粒子。）
目前，有許多伽馬射線天文臺也可用作“契倫科夫”輻射 望遠鏡，為撞擊我們星球的高能粒子提供所謂的“大氣成像”。諸如H.E.S.S.、Magic和Veritas等天文臺都為這些高能宇宙射線的來源提供了前所未有的位置和能量。
轉移到“契倫科夫”望遠鏡陣列將是一個巨大的進步。總之，該陣列預計將由118個蝶形天線組成：北半球19個（關注低能量和星系外來源），南半球99個，集中於我們銀河系內的全部能量和源。目前，有32個國家參與了該項目，這是一項耗資3億美元項目。ESO 位於智利阿塔卡馬沙漠的帕拉納爾Armazones基地將舉辦數量最多的蝶形天線。
（如上圖所示，Veritas 的伽瑪射線望遠鏡（高能輻射成像望遠鏡陣列系統）已被用來測量高能宇宙射線撞擊地球大氣層時以切倫科夫輻射形式發射的伽瑪射線。當這些粒子在介質中，甚至在地球大氣中，比光移動得快時，輻射的發射是不可避免的。）
這並不是我們測量宇宙射線的唯一機制，因為當宇宙射線撞擊地球大氣中的粒子時，它們也會產生新的粒子。這些“粒子陣雨”可以產生使其落在地球上的遺蹟，而基於粒子的觀測站可以與觀測相關聯的契倫科夫輻射的基於光的觀測站相輔相成。
但是，“契倫科夫”望遠鏡提供了一些基於粒子的方法所不能提供的東西：通過只測量到達地球的部分，入射粒子的能量和軌跡可以精確地重建。如果你想用基於粒子的探測器做到這一點，你需要確保，你接收並精確測量在“粒子陣雨”中產生的100%粒子的能量和動量。即使是世界級的宇宙射線探測器，像皮埃爾-俄歇天文臺，也達不到這一目標。
（上圖說明：由高能天體物理源產生的宇宙射線可以到達地球表面。當宇宙射線與地球大氣中的一個粒子碰撞時，它會產生一束粒子，我們可以用地面上的陣列檢測到，但即使沒有粒子陣雨，契倫科夫輻射也會被釋放出來。）
另一種選擇是在宇宙射線粒子到達地球之前捕獲它們；你需要到太空去看它們。但是即使你這樣做了，你也會受到探測器的靈敏度和能量的限制。進入太空還需要巨大的發射成本；費米伽馬射線望遠鏡，它直接探測單個高能光子而不是宇宙射線，成本約為6.9億美元，是整個契倫科夫望遠鏡陣列預計成本的兩倍多。
相反，通過捕捉宇宙射線在全球100多個地點撞擊大氣所產生的粒子和光子，我們可以瞭解這些超相對論粒子的起源和性質（科學家以此方法確定宇宙中的天體位置），以及產生它們的天體物理源。所有這些都是可能的，因為我們瞭解粒子在一種特殊介質（地球大氣）中比光移動得快的原理。愛因斯坦定律也許是無法打破的，但是減慢光照的技巧使我們能夠非常巧妙地檢測到一些我們無法測量的東西！
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