黑洞可能充当天然的超级对撞机——并帮助揭示暗物质之谜

这些发现可能有助于补充欧洲大型强子对撞机等研究设施所需的数十亿美元开支和数十年建设周期。该对撞机是目前全球规模最大、能量最高的粒子加速器。

研究合著者、英国牛津大学和约翰斯·霍普金斯大学天体物理学教授约瑟夫·席尔克表示："大型强子对撞机等粒子对撞机的重大期望之一是能产生暗物质粒子，但我们尚未发现任何证据。正因如此，目前正在讨论建造更强大的下一代超级对撞机。但在我们投入300亿美元并等待40年建造这台超级对撞机期间——超大质量黑洞中的自然现象或许能让我们瞥见未来。"

该研究于6月3日发表在《物理评论快报》期刊上。

粒子对撞机使质子及其他亚原子粒子以近光速相互碰撞，从而揭示物质的最基本构成。碰撞产生的微弱能量闪光与碎片可能揭示出此前未被发现的粒子，包括暗物质的潜在候选粒子。暗物质作为宇宙中关键却难以捉摸的组成部分，科学家至今未能直接探测到。大型强子对撞机等设施（其环形隧道长达17英里）同时也推动了互联网、癌症治疗和高性能计算领域的发展。

黑洞可像行星一样绕轴旋转，但由于其强大的引力场，旋转强度远超行星。科学家们日益发现，星系中心某些快速旋转的大质量黑洞会释放巨大的等离子体喷流，这可能是由其自转能量和周围吸积盘提供动力的喷流所致。新研究表明，正是这些事件可能产生与人工超级对撞机相同的结果。

席尔克（同时任职于巴黎天体物理研究所和牛津大学）指出："若超大质量黑洞能通过高能质子碰撞产生这些粒子，那么我们或许能在地球上探测到信号——某些超高能粒子会快速穿过我们的探测器。这将证明宇宙中最神秘的天体内部存在着新型粒子对撞机，其达到的能量水平是任何地面加速器都无法企及的。我们会观测到带有奇特特征的现象，可能为暗物质提供证据——虽然这需要更多推论，但确实存在可能性。"

新研究揭示，黑洞附近的"下冲气流"可从其自转中汲取能量，其剧烈程度远超科学家原有认知。在快速旋转的黑洞附近，这些粒子会发生混沌碰撞。尽管不完全相同，但该过程类似于科学家在高能粒子对撞机环形隧道中利用强磁场加速粒子引发的碰撞。

"碰撞产生的部分粒子坠入黑洞视界永远消失。但凭借自身能量与动量，另一些粒子会被加速到前所未有的高能状态并逃逸出来，"席尔克解释道，"我们推算出这些粒子束的能量强度：相当于甚至超越超级对撞机的水平。虽然难以确定极限值，但它们绝对能达到我们计划建造的最新超级对撞机的能量级，因此必定能提供补充性研究成果。"

席尔克表示，为探测此类高能粒子，科学家可利用现有观测站——这些设施已用于追踪超新星、大质量黑洞爆发等宇宙事件。包括南极冰立方中微子观测站或千米立方中微子望远镜等探测器，后者近期在地中海下探测到有记录以来能量最高的中微子。

"超级对撞机与黑洞的区别在于黑洞距离遥远，"席尔克说，"但尽管如此，这些粒子仍会抵达地球。"

牛津大学理论物理学家安德鲁·穆默里博士也是该研究的作者之一。