黑洞可以成为天然的超级对撞机——并帮助揭开暗物质之谜

这些发现可能有助于补充数十亿美元支出以及建造诸如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年建设周期。

"大型强子对撞机等粒子对撞机的重大期望之一是产生暗物质粒子，但我们尚未发现任何证据，"该研究合著者、英国约翰斯·霍普金斯大学和牛津大学天体物理学教授约瑟夫·希克表示。"这就是正在讨论建造更强大版本——下一代超级对撞机的原因。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向我们展示了未来的图景。"

该研究于6月3日发表在《物理评论快报》上。

粒子对撞机以接近光速的速度使质子及其他亚原子粒子相互碰撞，揭示物质最基本的层面。碰撞中产生的微弱能量闪光和碎片可能揭示先前未被发现的粒子，包括暗物质的潜在候选粒子——这种宇宙中关键却难以捉摸的组分，科学家至今尚未直接探测到。大型强子对撞机（一条17英里长的环形隧道）等设施还推动了互联网、癌症治疗和高性能计算的变革。

黑洞可像行星一样绕轴旋转，但由于其强大的引力场，旋转力度要大得多。科学家日益发现，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，这很可能是由其自旋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。

"如果超大质量黑洞能通过高能质子碰撞产生这些粒子，那么我们可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，"同时任职于巴黎天体物理研究所和牛津大学的希克表示。"这将证明宇宙中最神秘的天体内部存在新型粒子对撞机，其达到的能量超越了任何地面加速器的极限。我们会观测到带有奇异特征的信号，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。"

新研究显示，黑洞附近的下沉"气体流"可从其自旋中汲取能量，其剧烈程度远超科学家的预想。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利用强磁场在粒子对撞机环形隧道中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。但由于能量和动量守恒，部分粒子会逃逸出来，正是这些逃逸粒子被加速至前所未有高能级，"希克解释道。"我们推算出这些粒子束可达的能量级别：相当于甚至超越超级对撞机的强度。虽难以界定极限值，但它们绝对能达到我们计划建造的最新超级对撞机能量水平，因此必定能提供补充性研究成果。"

希克指出，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、大质量黑洞爆发及其他宇宙事件。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的中微子。

"超级对撞机与黑洞的区别在于黑洞距离遥远，"希克强调。"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。