Исследователи предложили использовать высокоэнергетические столкновения, происходящие в сверхмассивных черных дырах, в качестве более мощной и экономичной альтернативы планируемым многомиллиардным суперколлайдерам.
Ученые из Университета Джонса Хопкинса считают, что изучение сверхмассивных черных дыр для поиска темной материи, электронных нейтрино и других неуловимых частиц может дополнить работу традиционных коллайдеров и значительно сократить затраты на будущие проекты, позволив природе делать эту работу за них.
«Одна из главных надежд, связанных с такими коллайдерами, как Большой адронный коллайдер (БАК), заключается в том, что они смогут генерировать частицы темной материи, но пока никаких доказательств этому нет», — говорит соавтор исследования Джозеф Силк, профессор астрофизики Университета Джонса Хопкинса и Оксфордского университета (Великобритания). «Именно поэтому сейчас обсуждаются планы по созданию гораздо более мощного ускорителя следующего поколения. Но пока мы вкладываем 30 миллиардов долларов и ждем 40 лет, чтобы построить этот суперколлайдер, природа может дать нам подсказки о будущем физики в сверхмассивных черных дырах».
Сверхмассивные черные дыры, возможно, являются природными аналогами суперколлайдеров.
Такие установки, как БАК, созданные для изучения пределов реальности (включая нобелевское открытие бозона Хиггса и недавнее превращение свинца в золото), — одни из самых дорогостоящих проектов в истории человечества. Строительство 27-километрового кольцевого БАК обошлось более чем в 8 миллиардов долларов, а будущие проекты могут потребовать еще больших затрат.
Тем не менее, суперколлайдеры доказали свою ценность как незаменимый инструмент для проверки ранее недоказуемых физических теорий. Их открытия также способствовали развитию высокопроизводительных вычислений, интернета и даже методов лечения рака.
Поскольку эти достижения и потенциальные открытия будущего означают, что ученым все равно нужен способ изучать частицы, сталкивающиеся на околосветовых скоростях, Силк и его коллеги, включая доктора Эндрю Муммери, теоретического физика из Оксфорда, задумались: может ли природа предложить более экономичное решение? Это привело их к изучению сверхмассивных черных дыр — одних из самых мощных и загадочных объектов во Вселенной.
Сверхмассивные черные дыры обычно находятся в центрах галактик и обладают гораздо большей массой и скоростью вращения, чем обычные черные дыры. В некоторых случаях астрономы наблюдали, как черные дыры выбрасывают огромные струи высокоэнергетической плазмы. Ученые предположили, что подобные события могут создавать столкновения частиц, сравнимые с теми, что происходят в суперколлайдерах, — и их можно наблюдать и измерять без строительства гигантских установок. Более того, энергия таких столкновений может быть даже выше, чем в искусственных ускорителях.
«Если сверхмассивные черные дыры способны генерировать эти частицы в результате высокоэнергетических столкновений протонов, то мы можем зафиксировать их сигналы на Земле — сверхэнергетические частицы, пролетающие через наши детекторы», — объясняет Силк, - Это стало бы доказательством существования естественного ускорителя частиц в самых загадочных объектах Вселенной, достигающего энергий, недоступных ни одному земному коллайдеру».
Измерение частиц, разогнанных до рекордных энергий В опубликованном исследовании ученые подробно описали механизмы, благодаря которым сверхмассивные черные дыры могут заменить суперколлайдеры. Например, они указывают, как падающие «потоки газа» вблизи черной дыры могут захватывать часть энергии ее вращения. В более экстремальных случаях эти потоки становятся «гораздо более агрессивными», чем считалось ранее, передавая энергию частицам газа до тех пор, пока те не сталкиваются «хаотичным образом».
«Некоторые частицы после столкновений падают в черную дыру и исчезают навсегда, — поясняет Силк. — Но благодаря своей энергии и импульсу, другие вырываются наружу, и именно они разгоняются до невероятно высоких энергий».
Хотя этот процесс отличается от того, что происходит в искусственных коллайдерах, его результаты могут дать столь же ценную информацию для физики.
«Мы выяснили, насколько энергичными могут быть эти пучки частиц: по мощности они сравнимы с теми, что получают в суперколлайдере, или даже превосходят их», — сказал Силк, - Очень сложно сказать, где предел, но они точно достигают уровня энергии новейшего суперколлайдера, который мы планируем построить, так что определенно могут дать нам дополнительные результаты».
В заключении исследования Силк, Маммери и их коллеги предлагают, какие существующие инструменты и платформы могут собирать данные, аналогичные данным суперколлайдера, от сверхмассивных черных дыр. Например, спутники и наземные обсерватории, такие как нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе или телескоп KM3NeT (Кубический километровый нейтринный телескоп), которые уже отслеживают сверхновые, извержения черных дыр и другие высокоэнергетические космические события, вполне справятся с этой задачей. Хотя они больше не будут искать бозон Хиггса, они могут собрать доказательства, решающие другую давнюю загадку физики.
«Мы увидим что-то со странной сигнатурой, что, возможно, станет доказательством темной материи — это более смелое предположение, но оно возможно», — сказал Силк.
Хотя новый подход предполагает несколько возможных преимуществ использования столкновений внутри и вокруг сверхмассивных черных дыр для дополнения данных, полученных дорогостоящими суперколлайдерами, Силк отмечает, что огромные космические расстояния между Землей и другими галактиками, где находятся эти объекты, могут стать ограничением. Однако исследователь также подчеркивает, что, несмотря на то, что эти сверхмассивные черные дыры «очень далеко», испускаемые ими частицы все равно достигнут нас.