黑洞可以充当天然的超级对撞机——并助力揭示暗物质的奥秘

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

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·席尔克表示："大型强子对撞机等粒子对撞机的伟大希望之一是产生暗物质粒子，但迄今我们尚未发现任何证据。这就是为何目前正在讨论建造更强大的版本——下一代超级对撞机。但当我们将投资300亿美元并等待40年建造这台超级对撞机时，大自然或许会在超大质量黑洞中为我们提供未来的惊鸿一瞥。"

该研究于6月3日发表在《物理评论快报》上。

粒子对撞机让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层面。碰撞产生的微弱能量闪光和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——这种宇宙中关键却幽灵般的存在，科学家至今尚未探测到。大型强子对撞机（一条17英里长的环形隧道）等设施还促进了互联网、癌症治疗及高性能计算的发展。

黑洞能像行星一样绕轴自旋，但由于其强大的引力场，自旋强度远超行星。科学家日益发现，星系中心一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及周围吸积盘的能量驱动的喷流所致。新研究表明，这些事件有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）表示："如果超大质量黑洞能通过高能质子碰撞产生这些粒子，那么我们也许能在地球上探测到信号——某些极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一种新型粒子对撞机，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异特征的现象，可能为暗物质提供证据——尽管这需要更多推断，但确实存在可能性。"

新研究表明，黑洞附近"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此前的认知。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制造碰撞的方式。

"碰撞产生的部分粒子会坠入黑洞视界永远消失。但因能量和动量作用，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量状态，"席尔克解释道。"我们计算出了这些粒子束可能达到的能量级别：相当于甚至超过超级对撞机的能量上限。虽难以界定极限值，但它们无疑能达到我们计划建造的最新超级对撞机的能量水平，因此肯定能为我们提供补充性研究成果。"

席尔克指出，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。相关探测器包括南极冰立方中微子天文台，以及近期在地中海下探测到有史以来最高能中微子的立方千米中微子望远镜。

"超级对撞机与黑洞的区别在于黑洞距离遥远，"席尔克说。"但无论如何，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。