Черные дыры могут быть огромными коллайдерами: они помогут заглянуть в самые темные глубины Вселенной

Вселенная полна загадок, и одна из самых интригующих — это темная материя. Ученые десятилетиями бьются над ее природой, строя все более мощные инструменты для ее обнаружения. Однако, несмотря на все усилия, неуловимые частицы темной материи продолжают ускользать от нас. Это заставляет исследователей искать нестандартные подходы и обращать взоры к самым экстремальным объектам во Вселенной. Может ли ключ к разгадке скрываться в космических монстрах, чья гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться из их объятий?

Астрономические коллайдеры

Современная физика частиц достигла невероятных высот. Огромные ускорители, такие как Большой адронный коллайдер (БАК), позволили открыть фундаментальные частицы, например, бозон Хиггса в 2012 году. Это открытие стало триумфом Стандартной модели — теории, описывающей известные элементарные частицы и их взаимодействия. Однако Стандартная модель не полна. Она не может объяснить существование темной материи, которая, по оценкам астрофизиков, составляет около 85% всей материи во Вселенной. Обычная материя, из которой состоим мы и все видимые объекты, — это лишь вершина айсберга.

Поиски частиц темной материи на БАК пока не увенчались успехом. Это подтолкнуло научное сообщество к обсуждению проектов еще более крупных и мощных коллайдеров следующего поколения. Стоимость таких установок колоссальна — речь идет о десятках миллиардов долларов (например, около $30 млрд) и десятилетиях строительства, возможно, до 40 лет. Возникает вопрос: есть ли альтернативные пути для исследования этой неизведанной области физики? Существуют ли в природе условия, способные воспроизвести энергии, недостижимые для рукотворных ускорителей?

И вот здесь на сцену выходят сверхмассивные черные дыры. Эти гиганты, чьи массы в миллионы и миллиарды раз превышают массу Солнца, находятся в центрах большинства галактик. Новое исследование предполагает, что условия вокруг этих космических объектов могут быть гораздо более экстремальными, чем считалось ранее.

Ученые выдвинули гипотезу, что черные дыры могут функционировать как естественные, сверхмощные ускорители частиц, своего рода природные суперколлайдеры. Эта идея открывает захватывающие перспективы для изучения фундаментальных законов природы и, возможно, для обнаружения частиц темной материи.

Внутри черной дыры

Как же это работает? Сверхмассивные черные дыры часто окружены гигантскими облаками газа и пыли, образующими так называемые аккреционные диски. Вещество в этих дисках, падая на черную дыру, разогревается до невероятных температур и излучает огромное количество энергии. Более того, вращающиеся черные дыры могут захватывать часть этого вещества и выбрасывать его в виде узконаправленных релятивистских струй — джетов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Именно в этих процессах, как полагают исследователи, и могут происходить столкновения частиц с колоссальными энергиями.

В новом исследовании ученые выяснили, что потоки газа вблизи черных дыр могут отбирать энергию у вращения самой черной дыры. Это приводит к тому, что условия в газе становятся намного более яростными, чем предполагалось. Следовательно, вокруг вращающихся сверхмассивных черных дыр должно происходить множество высокоскоростных столкновений между частицами, аналогичных тем, что создаются в БАК. Некоторые частицы из этих столкновений поглощаются черной дырой и исчезают навсегда за горизонтом событий. Однако другие, благодаря своей огромной энергии и импульсу, могут быть выброшены наружу, ускоряясь до беспрецедентно высоких энергий.

«Если сверхмассивные черные дыры могут генерировать эти частицы в результате высокоэнергетических протонных столкновений, то мы могли бы получить сигнал на Земле — какую-то действительно высокоэнергетическую частицу, быстро проходящую через наши детекторы, — говорит Джозеф Силк, член исследовательской группы и научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса. — Это было бы доказательством существования нового типа коллайдера внутри самых загадочных объектов во Вселенной, достигающего энергий, недостижимых ни в одном наземном ускорителе».

По его словам, энергии этих частиц могут быть сопоставимы с энергиями планируемого суперколлайдера нового поколения, что даст комплементарные результаты.

Конечно, обнаружение таких высокоэнергетических частиц от сверхмассивных суперколлайдеров, находящихся на расстоянии многих световых лет, будет непростой задачей, даже если теория верна. Однако существующие и будущие обсерватории, предназначенные для отслеживания сверхновых, вспышек черных дыр и других высокоэнергетических космических явлений, могут сыграть ключевую роль в этом поиске.