黑洞可能成为天然的超级对撞机——并助力揭开暗物质之谜

这些发现可能有助于补充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）这类研究综合体所需的数十亿美元开支和数十年的建设周期。

“像大型强子对撞机这样的粒子对撞机，其伟大希望之一是能生成暗物质粒子，但迄今我们尚未发现任何证据，”该研究的合著者、英国约翰斯·霍普金斯大学和牛津大学的天体物理学教授约瑟夫·希尔克表示。“这就是为何目前正在讨论建造一个更强大的版本——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——大自然可能在超大质量黑洞中提供了一瞥未来的机会。”

该研究于6月3日发表在《物理评论快报》Physical Review Letters上。

粒子对撞机以接近光速的速度使质子和其他亚原子粒子相互碰撞，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此前未被发现的粒子，包括暗物质的潜在候选者——暗物质是宇宙中关键却难以捉摸的组成部分，科学家至今尚未探测到。像大型强子对撞机（一条17英里长的环形隧道）这样的设施，也推动了互联网、癌症治疗和高性能计算的发展。

黑洞可以像行星一样绕其轴自旋，但由于其强大的引力场，其自旋强度要大得多。科学家们越来越多地发现，星系中心一些快速旋转的大质量黑洞会释放出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。这项新研究表明，正是这些事件可能产生与人造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探测到信号，即一些真正高能的粒子快速穿过我们的探测器，”同样任职于巴黎天体物理研究所和牛津大学的希尔克表示。“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，其达到的能量是地球上任何加速器都无法企及的。我们会观测到带有奇特信号的现象，这可能为暗物质提供证据——虽然这推断需要更多佐证，但它是可能的。”

这项新研究表明，黑洞附近的下沉“气流”可以从中提取自旋能量，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利用强磁场在高能粒子对撞机的环形隧道中加速粒子引发的碰撞。

“碰撞产生的部分粒子会坠入黑洞的‘咽喉’，永远消失。但凭借其能量和动量，另一些粒子会逃逸出来，正是这些粒子被加速到了前所未有的高能量，”希尔克解释道。“我们计算出了这些粒子束可能达到的能量强度：与超级对撞机产生的能量相当甚至更高。虽然难以确定上限，但它们肯定能达到我们计划建造的最新超级对撞机的能量水平，因此绝对能为我们提供补充性的研究结果。”

希尔克指出，要探测此类高能粒子，科学家可利用已用于追踪超新星、大质量黑洞爆发及其他宇宙事件的天文台，例如位于南极的冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）或千米立方中微子望远镜（Kilometer Cube Neutrino Telescope）——后者近期在地中海下探测到了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，”希尔克说。“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。