最深地下实验室，重要成果发布

黑洞可以用于粒子加速器吗？

大规模的模拟表明，超大质量黑洞可以将粒子加速到超高能量。

几十年来，天体物理学家一直认为，地球上探测到的神秘的超高能量宇宙射线(UHECRs)可能来自活动星系核(AGN)，即星系中心的超大质量黑洞。然而，粒子加速的机理还不清楚。现在，一组研究人员利用空前规模的模拟来提出一种机制。这些结果加强了AGN是UHECR源的想法，尽管一些专家警告说，当用来预测如此高能量的质子时，模拟有局限性。

大多数宇宙射线是质子或原子核，能量在10^8 eV左右。uhecr的能量在10^18eV以上，自20世纪60年代以来，在地球上已经偶尔发现过，但它们的来源仍不确定。最近，来自AGN的高能中微子和伽马射线同时被探测到，这被视为AGN是UHECR源的有力证据，因为这两种事件都可以用质子加速到超高能量来解释。不过，其它uhecr来源的候选者，如相对论性超新星和伽马射线爆发，仍然是可行的。

天体物理喷流是沿巨大天体(如AGN)的旋转轴向两个方向发射的电离物质束。相对论性的AGN喷流——其中一些粒子以接近光速的速度运动——已经从观测和理论上得到了彻底的研究。它们的大部分能量储存在螺旋结构的强大磁场中。以往的模拟表明，射流等离子体是不稳定的; 与星际介质的相互作用导致了被称为扭结不稳定性的喷射流的扭曲，喷射流的柱状形状弯曲和扭曲。

研究人员怀疑，这些扭结不稳定性可以产生足够强的电场，将粒子加速到超高能量，甚至还从这些结构中看到了暗示的伽马射线和x射线发射。但是理论学家们还没有完全理解加速过程是如何工作的。

弗雷德里克Fiuza SLAC国家加速器实验室的门洛帕克, 加利福尼亚州,和他的团队决定AGN的模拟飞机前所未有的规模:在先前的模拟建模射流等离子体流体,提供一个粗糙的描述,他们将模型在单个粒子的水平。SLAC团队成员保罗·阿尔维斯(Paulo Alves)解释说，这个项目所需的强大计算能力阻止了其他人更快地进行尝试。

该团队在一台超级计算机上进行了模拟，在一个“共动”的参考系中跟踪了5500亿个粒子，这些粒子从射流的一个平滑区域流出，穿过一个扭结不稳定区域，在那里磁场不断地摆动和弯曲。研究人员并没有试图跟踪这些粒子在整个喷流中的移动，而是关注了不稳定性附近的活动。

一组固定的等离子体粒子所看到的场，随着粒子从射流的平滑区域移动到带有扭曲不稳定性的区域而变化。

研究小组发现，磁场的持续摆动产生了一个强大的电场，这个电场通常沿着射流的方向，垂直于环绕射流的磁场更平滑的部分。但是这个电场通常不能加速带电粒子，因为它们通常被限制在沿着磁场线移动。然而，在模拟中，扭结不稳定性使磁场线纠缠在一起，以至于粒子可以穿过它们，并可以被电场加速到足够高的能量，从而成为uhecr。

在大型强子对撞机发现希格斯玻色子之后，人们对未来的方向进行了很多讨论。大型强子对撞机是目前世界上最强大的粒子加速器，以约13Tev的能量对粒子进行碰撞。虽然这已经产生了一些超出标准模型的物理学线索，但它可能无法解决粒子物理学中的一些最大问题。我们需要的是一个更强大的粒子加速器。有人提议建造一个未来环形对撞机，其运行速度是大型强子对撞机的近10倍，但建造和运行它将极其昂贵，这让一些科学家怀疑它是否值得。

但如果我们可以使用自然界中已经存在的粒子加速器呢? 如果我们可以利用黑洞呢? 我们已经知道黑洞是强大的引擎，能产生高能粒子喷射，这些高能粒子以接近光速的速度从黑洞中喷射出来。不幸的是，它们产生的任何奇异的高能粒子都会迅速衰变，所以我们无法直接观察到它们。但最近《物理评论D》上的一篇文章认为，我们或许可以通过引力波间接观察到它们。

在过去的几年里，天文学家观测到了黑洞和中子星合并产生的引力波。我们可以以足够的灵敏度观察它们，从而可以确定一些东西，比如合并物体的初始质量和旋转，以及产生的黑洞的质量和旋转。但如果灵敏度更高，我们应该能够测量合并过程中出现的其他能量波动。

黑洞加速器是如何工作的?

有了这样的能量输出，假设能量100%转化为动能，黑洞可以在20天内加速到光速的10% . ...要让黑洞成为能量源和引擎，还需要一种将霍金辐射转化为能量和推力的方法。

如何从黑洞中提取能量?

旋转的黑洞储存着可以被提取的旋转能量; 当一个黑洞沉浸在外部提供的磁场中时，能层内的磁力线的重新连接可以产生负能量粒子，这些粒子落入黑洞视界，而其它粒子被加速……

旋转的黑洞倾向于通过一种被称为坐标系拖曳的过程向周围的物质云提供能量。当一个黑洞开始与另一个黑洞合并时，如果一个弥漫性的物质云团位于黑洞周围，两个黑洞之间的框架拖曳效应可以将大量的能量转移到物质上。这类似于卫星通过木星到达外太阳系的方式，但要强大得多。这被称为超级辐射，它会产生一束粒子，比我们在地球上创造的任何东西都要强大得多。这可能会产生超出标准模型的奇异粒子。我们不能直接观察到这些粒子，但粒子的能量会影响黑洞产生的引力波。通过寻找引力波的波动，我们可以知道外来粒子的存在，或者至少可以限制外来粒子的存在。

黑洞粒子加速器不可能像地球上的那样精确。但也许通过研究引力波，我们可以了解到在标准模型之外还有粒子存在，这可能会让建造新的粒子加速器变得值得。