Черные дыры могут частично заменить суперколлайдеры

Ученые предположили, что сверхмассивные черные дыры могут стать естественной альтернативой суперколлайдерам, так как, вероятно, способны генерировать частицы темной материи. Работа открывает перспективы получения сведений о неуловимых частицах, которые крайне сложно или вовсе невозможно зарегистрировать напрямую из-за их уникальных физических свойств, и может помочь компенсировать громадные расходы на содержание исследовательских комплексов, таких как Большой адронный коллайдер (крупнейший в мире ускоритель частиц). Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Поиск частиц-кандидатов на роль темной материи, составляющей значительную часть массы Вселенной и не испускающей света, долгое время был связан исключительно с созданными человеком гигантскими экспериментальными установками наподобие Большого адронного коллайдера. Этот 27-километровый ускоритель частиц разгоняет протоны почти до скорости света и сталкивает их, подкрепляя надежды ученых на раскрытие фундаментальных свойств материи и обнаружение ранее неизвестных частиц. Однако несмотря на огромные затраты (строительство суперколлайдера следующего поколения может обойтись в 30 миллиардов долларов и продлиться 40 лет), тайна темной материи до сих пор не раскрыта. Сокращение государственного финансирования науки, ко всему прочему, делает поиск альтернативных подходов как никогда ранее актуальным.

В новом исследовании астрофизики обратили внимание на сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Эти объекты в миллиарды раз тяжелее солнца и способны вращаться вокруг своей оси с невероятной скоростью. Ученые выяснили, что так называемые «газовые потоки» вблизи горизонта событий вращающейся черной дыры могут извлекать колоссальную энергию из вращения черной дыры, становясь гораздо более мощными, чем считалось ранее. В этих условиях частицы вблизи черной дыры хаотично сталкиваются между собой. Хотя процесс не идентичен, он схож с тем, что происходит в кольцевом туннеле наземного ускорителя, где магнитные поля разгоняют частицы.

Исследователи установили, что энергия столкновений частиц вблизи быстро вращающейся черной дыры достигает или даже превышает уровни, планируемые для самого мощного будущего наземного суперколлайдера. «Мы выяснили, насколько мощными могут быть эти пучки частиц: такими же, как в суперколлайдере, или больше. Очень сложно сказать, каков предел, но они определенно достигают энергии новейшего суперколлайдера, который мы планируем построить», — поясняет Джозеф Силк из Университета Джонса Хопкинса и Оксфордского университета. «Некоторые частицы из этих столкновений уходят в черную дыру и исчезают навсегда. Но из-за своей энергии и импульса некоторые также вылетают наружу», — добавляет он. Именно эти вылетающие частицы могут ускоряться до беспрецедентно высоких энергий и достигать Земли.

Исследование позволяет по-новому взглянуть на черные дыры как на мощные естественные ускорители частиц, достигающие энергетических уровней, которые недостижимых ни в одном земном ускорителе. Обнаружить образующиеся в них высокоэнергетические частицы можно с помощью существующих нейтринных обсерваторий, таких как IceCube на Южном полюсе или KM3NeT в Средиземном море. Если необычные свойства таких частиц, долетающих до Земли, будут зарегистрированы, ученые смогут продвинуться в понимании природы темной материи. Таким образом, черные дыры представляют собой уникальный инструмент, который дополняет дорогостоящие наземные методы поиска фундаментальных частиц, что особенно важно в условиях ограниченности ресурсов, включая время и финансирование.