一项新的研究表明，大自然可能已经在旋转的超大质量黑洞内运行自己的超级对撞机。这些宇宙巨星可以将粒子加速到极端能量，甚至可能产生暗物质粒子，这是大型强子对撞机等人类建造的设施尚未实现的壮举。

艺术家构想的超大质量黑洞，其质量是太阳的数十亿倍，类似于星系中心的黑洞。黑洞的快速旋转和强大磁场可以向太空发射巨大的等离子体喷流，这一过程可能产生与人造超级对撞机相同的效果。图片来源：Roberto Molar Candanosa/约翰·霍普金斯大学

由于联邦政府研究预算紧张，科学家们正在探索黑洞能否作为一种低成本、自然的替代方案，取代那些用于探测暗物质和其他可能解开宇宙最大谜团的稀有粒子的大型设施。这一想法是约翰·霍普金斯大学一项新研究的核心，该研究专注于超大质量黑洞。

研究人员提出，这些宇宙现象或许有助于抵消建造先进研究基础设施（例如欧洲的大型强子对撞机）所需的巨额成本和数十年的工期。大型强子对撞机是目前世界上最强大的粒子加速器，位于地下17英里处。

“人们对大型强子对撞机等粒子对撞机的一大期望是它能够产生暗物质粒子，但我们目前尚未看到任何证据，”该研究的共同作者、约翰·霍普金斯大学和牛津大学的天体物理学教授约瑟夫·西尔克说道。“正因如此，我们正在讨论建造一个更强大的版本，即下一代超级对撞机。然而，我们投入300亿美元，等待40年才建造出这座超级对撞机——大自然或许能让我们一窥超大质量黑洞的未来。”

该研究发表在《物理评论快报》上。

粒子对撞机旨在以接近光速的速度将质子和其他亚原子粒子碰撞在一起。这些碰撞会产生能量爆发和散射碎片，这些碎片可能揭示前所未见的粒子，包括那些疑似构成暗物质的粒子——暗物质是宇宙中一种基本的、不可见的、至今仍未被探测到的组成部分。除了推动粒子物理学的发展外，大型强子对撞机（LHC）等设施还为互联网技术、癌症治疗和高性能计算领域的重大突破做出了贡献。

黑洞也会旋转，就像行星一样，但由于其强大的引力，其旋转力要大得多。科学家们发现，位于星系中心的某些快速旋转的黑洞能够发射出强大的等离子体爆发。这些爆发被认为是由黑洞自旋和周围物质（称为吸积盘）的能量驱动的喷流所驱动的。根据这项新研究，这些极端条件可能与人造粒子对撞机实验的结果相似。

“如果超大质量黑洞能够通过高能质子碰撞产生这些粒子，那么我们可能会在地球上接收到信号，一些真正高能的粒子快速穿过我们的探测器，”西尔克说道，他同时也是巴黎天体物理研究所和牛津大学的研究员。“这将是宇宙中最神秘的物体内部存在新型粒子对撞机的证据，其能量是任何地面加速器都无法达到的。我们会看到某种具有奇特特征的物质，它可能为暗物质的存在提供证据，这需要更大的突破，但并非不可能。”

这项新研究表明，在黑洞附近猛烈撞击的“气流”会从黑洞自旋中汲取能量，其剧烈程度远超科学家的想象。在快速旋转的黑洞附近，这些粒子会发生混乱的碰撞。尽管过程并不完全相同，但与科学家们利用强磁场在高能粒子对撞机的圆形隧道中加速粒子产生的碰撞类似。

“这些碰撞产生的一些粒子会进入黑洞的‘喉咙’，永远消失。但由于它们的能量和动量，一些粒子也会出来，而正是这些出来粒子被加速到前所未有的高能量，”希尔克说。“我们计算出了这些粒子束的能量：与超级对撞机的能量相当，甚至更高。很难说它们的极限是多少，但它们的能量肯定达到了我们计划建造的最新超级对撞机的能量水平，因此它们肯定能给我们带来互补的结果。”

西尔克表示，为了探测这种高能粒子，科学家可以利用已经追踪超新星、大规模黑洞爆发和其他宇宙事件的天文台。这些探测器包括位于南极的冰立方中微子天文台，以及最近在地中海海底探测到有史以来最高能级中微子的千米立方中微子望远镜。

“超级对撞机和黑洞的区别在于，黑洞距离我们很远，”希尔克说，“但无论如何，这些粒子最终都会到达我们这里。”

编译自/scitechdaily