Черная дыра способна не только поглощать материю, но и ускорять частицы до энергий, которые недоступны для крупнейших ускорителей на Земле.
В центре Млечного Пути, возможно, функционирует природный ускоритель частиц, который по своим возможностям значительно превосходит Большой адронный коллайдер. К такому выводу пришли авторы нового исследования, изучая, как черная дыра извлекает энергию из своего вращения.
Речь идет о сверхмассивной черной дыре (СМЧД) Стрелец A* (Sgr A*), находящейся в центре нашей галактики. Согласно расчетам, нейтроны, попадающие в ее ближайшие окрестности, могут принимать участие в так называемом магнитном процессе Пенроуза. Это позволяет черной дыре передавать часть своей энергии вращения пролетающим частицам.
Данное исследование опубликовано в виде препринта на arXiv. Его авторы — Марина Серменьо и ее коллеги — рассматривают Sgr A* как вероятный галактический певатрон, то есть источник частиц с энергиями порядка петаэлектронвольт (10^15 эВ).
Электрон уходит за горизонт событий, а протон получает «пинок»
Чтобы разобраться в механизме, необходимо временно заглянуть в наиболее опасную зону вокруг СМЧД — эргосферу. Это область, где вращение черной дыры настолько сильно искривляет пространство-время, что вещества внутри нее не могут оставаться неподвижными относительно удаленных наблюдателей.
Именно в этой области может сработать идея Роджера Пенроуза, предложенная в 1969 году. В классическом варианте, космический корабль попадает в эргосферу, разделяется, и одна его часть проваливается в черную дыру, в то время как другая уходит с большей энергией, чем имела изначально. В результате черная дыра теряет часть своей энергии вращения.
Исследователи предложили вместо космического аппарата рассмотреть нейтрон. У него нет электрического заряда, поэтому магнитное поле не воздействует на него напрямую. Однако внутри эргосферы нейтрон может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Заряженные протон и электрон уже могут взаимодействовать с мощным магнитным полем.
Таким образом, возникает космический процесс: нейтрон распадается, электрон исчезает за горизонтом событий черной дыры, а его антагонист протон получает огромный энергетический импульс и может покинуть окрестности черной дыры почти со скоростью света.
Моделирование показывает, что энергия таких протонов может достигать петаэлектронвольт. Это в тысячу раз больше энергии самых мощных протонов, которые разгонял Большой адронный коллайдер.
Космический ускоритель пока слишком слаб для наших телескопов
Наиболее интересные события происходят после разгона. Выходя из эргосферы, сверхэнергичные протоны сталкиваются с окружающим газом. Эти столкновения должны приводить к образованию гамма-излучения с определенными спектральными характеристиками, а также нейтрино. Процесс может оставить сразу два независимых сигнала — гамма-лучи от столкновений протонов с молекулами газа и высокоэнергичные нейтрино (которые не следует путать с антинейтрино, образовавшимися на первой стадии процесса Пенроуза при распаде нейтронов).
Для астрономов это представляется особенно ценным: наблюдение таких частиц в сочетании с электромагнитным излучением позволило бы проверить, действительно ли механизм Пенроуза функционирует в центре нашей галактики.
На данный момент приборы недостаточно чувствительны: предполагаемые сигналы слишком слабы. Однако ситуация может измениться после модернизации гамма-обсерватории HAWC и появления следующего поколения нейтринного детектора IceCube в Антарктиде. Авторы исследования также подчеркивают перспективы наблюдений с помощью новых обсерваторий, включая SWGO и IceCube-Gen2.
Таким образом, речь не идет о том, что ученые «обнаружили двигатель» внутри черной дыры. Они предложили конкретный физический механизм и рассчитали, какой наблюдаемый след он должен оставлять. Если в будущем телескопы зафиксируют предсказанную комбинацию гамма-излучения и нейтрино, у астрофизиков появится возможность проверить теорию, которая существует уже более полувека, — что вращающаяся черная дыра керровского типа действительно способна передавать часть своей энергии окружающим частицам.
Фото: hi-tech.mail.ru