一項(xiàng)新的研究表明，大自然可能已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞內(nèi)運(yùn)行自己的超級(jí)對撞機(jī)。這些宇宙巨星可以將粒子加速到極端能量，甚至可能產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，這是大型強(qiáng)子對撞機(jī)等人類建造的設(shè)施尚未實(shí)現(xiàn)的壯舉。

藝術(shù)家構(gòu)想的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的數(shù)十億倍，類似于星系中心的黑洞。黑洞的快速旋轉(zhuǎn)和強(qiáng)大磁場可以向太空發(fā)射巨大的等離子體噴流，這一過程可能產(chǎn)生與人造超級(jí)對撞機(jī)相同的效果。圖片來源：Roberto Molar Candanosa/約翰·霍普金斯大學(xué)

由于聯(lián)邦政府研究預(yù)算緊張，科學(xué)家們正在探索黑洞能否作為一種低成本、自然的替代方案，取代那些用于探測暗物質(zhì)和其他可能解開宇宙最大謎團(tuán)的稀有粒子的大型設(shè)施。這一想法是約翰·霍普金斯大學(xué)一項(xiàng)新研究的核心，該研究專注于超大質(zhì)量黑洞。

研究人員提出，這些宇宙現(xiàn)象或許有助于抵消建造先進(jìn)研究基礎(chǔ)設(shè)施（例如歐洲的大型強(qiáng)子對撞機(jī)）所需的巨額成本和數(shù)十年的工期。大型強(qiáng)子對撞機(jī)是目前世界上最強(qiáng)大的粒子加速器，位于地下17英里處。

“人們對大型強(qiáng)子對撞機(jī)等粒子對撞機(jī)的一大期望是它能夠產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，但我們目前尚未看到任何證據(jù)，”該研究的共同作者、約翰·霍普金斯大學(xué)和牛津大學(xué)的天體物理學(xué)教授約瑟夫·西爾克說道?！罢蛉绱耍覀冋谟懻摻ㄔ煲粋€(gè)更強(qiáng)大的版本，即下一代超級(jí)對撞機(jī)。然而，我們投入300億美元，等待40年才建造出這座超級(jí)對撞機(jī)——大自然或許能讓我們一窺超大質(zhì)量黑洞的未來?！?/p>

該研究發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。

粒子對撞機(jī)旨在以接近光速的速度將質(zhì)子和其他亞原子粒子碰撞在一起。這些碰撞會(huì)產(chǎn)生能量爆發(fā)和散射碎片，這些碎片可能揭示前所未見的粒子，包括那些疑似構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子——暗物質(zhì)是宇宙中一種基本的、不可見的、至今仍未被探測到的組成部分。除了推動(dòng)粒子物理學(xué)的發(fā)展外，大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）等設(shè)施還為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、癌癥治療和高性能計(jì)算領(lǐng)域的重大突破做出了貢獻(xiàn)。

黑洞也會(huì)旋轉(zhuǎn)，就像行星一樣，但由于其強(qiáng)大的引力，其旋轉(zhuǎn)力要大得多?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，位于星系中心的某些快速旋轉(zhuǎn)的黑洞能夠發(fā)射出強(qiáng)大的等離子體爆發(fā)。這些爆發(fā)被認(rèn)為是由黑洞自旋和周圍物質(zhì)（稱為吸積盤）的能量驅(qū)動(dòng)的噴流所驅(qū)動(dòng)的。根據(jù)這項(xiàng)新研究，這些極端條件可能與人造粒子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相似。

“如果超大質(zhì)量黑洞能夠通過高能質(zhì)子碰撞產(chǎn)生這些粒子，那么我們可能會(huì)在地球上接收到信號(hào)，一些真正高能的粒子快速穿過我們的探測器，”西爾克說道，他同時(shí)也是巴黎天體物理研究所和牛津大學(xué)的研究員。“這將是宇宙中最神秘的物體內(nèi)部存在新型粒子對撞機(jī)的證據(jù)，其能量是任何地面加速器都無法達(dá)到的。我們會(huì)看到某種具有奇特特征的物質(zhì)，它可能為暗物質(zhì)的存在提供證據(jù)，這需要更大的突破，但并非不可能?！?/p>

這項(xiàng)新研究表明，在黑洞附近猛烈撞擊的“氣流”會(huì)從黑洞自旋中汲取能量，其劇烈程度遠(yuǎn)超科學(xué)家的想象。在快速旋轉(zhuǎn)的黑洞附近，這些粒子會(huì)發(fā)生混亂的碰撞。盡管過程并不完全相同，但與科學(xué)家們利用強(qiáng)磁場在高能粒子對撞機(jī)的圓形隧道中加速粒子產(chǎn)生的碰撞類似。

“這些碰撞產(chǎn)生的一些粒子會(huì)進(jìn)入黑洞的‘喉嚨’，永遠(yuǎn)消失。但由于它們的能量和動(dòng)量，一些粒子也會(huì)出來，而正是這些出來粒子被加速到前所未有的高能量，”希爾克說?！拔覀冇?jì)算出了這些粒子束的能量：與超級(jí)對撞機(jī)的能量相當(dāng)，甚至更高。很難說它們的極限是多少，但它們的能量肯定達(dá)到了我們計(jì)劃建造的最新超級(jí)對撞機(jī)的能量水平，因此它們肯定能給我們帶來互補(bǔ)的結(jié)果?！?/p>

西爾克表示，為了探測這種高能粒子，科學(xué)家可以利用已經(jīng)追蹤超新星、大規(guī)模黑洞爆發(fā)和其他宇宙事件的天文臺(tái)。這些探測器包括位于南極的冰立方中微子天文臺(tái)，以及最近在地中海海底探測到有史以來最高能級(jí)中微子的千米立方中微子望遠(yuǎn)鏡。

“超級(jí)對撞機(jī)和黑洞的區(qū)別在于，黑洞距離我們很遠(yuǎn)，”希爾克說，“但無論如何，這些粒子最終都會(huì)到達(dá)我們這里?！?/p>

編譯自/scitechdaily