黑洞可能成为天然的超级对撞机——并帮助揭示暗物质

这些发现可能有助于弥补欧洲大型强子对撞机（世界上最大、能量最高的粒子加速器）等研究设施所需的数十亿美元支出和数十年建设周期。

"大型强子对撞机等粒子对撞机的重要目标之一是生成暗物质粒子，但我们至今尚未发现任何证据，"该研究的合著者、约翰斯·霍普金斯大学和英国牛津大学天体物理学教授约瑟夫·席尔克表示，"这就是为什么正在讨论建造更强大的下一代超级对撞机。但当我们投入300亿美元并等待40年建造这台超级对撞机时——大自然可能通过超大质量黑洞让我们窥见未来。"

该研究于6月3日发表在《物理评论快报》Physical Review Letters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，从而揭示物质最基本的组成。碰撞产生的微弱能量闪光与碎片可能揭示出此前未知的粒子，包括暗物质的潜在候选粒子——这种关键却难以捉摸的宇宙成分至今未被科学家直接探测到。大型强子对撞机（一条长17英里的环形隧道）等设施还对互联网、癌症治疗和高性能计算领域产生了变革性影响。

黑洞可像行星一样绕轴自旋，但由于其强大的引力场，其旋转强度远高于行星。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，这很可能源于其自旋能量与周围吸积盘共同驱动的喷流机制。这项新研究表明，正是这类事件可能产生与人造超级对撞机相同的实验结果。

"如果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接收到信号——某些超高能粒子快速穿过我们的探测器，"席尔克解释道（他同时任职于巴黎天体物理研究所和牛津大学），"这将证明宇宙中最神秘的天体内存在新型粒子对撞机，其达到的能量水平是任何地面加速器都无法企及的。我们会观测到具有奇特信号特征的现象，甚至可能为暗物质提供证据——虽然这需要更大胆的推断，但确有可能。"

新研究表明，黑洞附近的"坠入气体流"可从其自旋中汲取能量，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，但该过程与科学家在高能粒子对撞机环形隧道内用强磁场加速粒子引发的碰撞具有相似性。

"碰撞产生的部分粒子会坠入黑洞喉咙永远消失。但由于能量和动量作用，另一些粒子会被喷射出来——正是这些粒子被加速到了前所未有的高能状态，"席尔克指出，"我们测算出这些粒子束的能量强度：相当于或超越超级对撞机的水平。虽然难以确定极限值，但它们无疑能达到我们计划建造的最新超级对撞机能量级，因此必定能提供互补性研究成果。"

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天文台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史以来最高能量的中微子。

"超级对撞机与黑洞的区别在于黑洞距离遥远，"席尔克说，"但这些粒子终将抵达地球。"

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。