Gdy finansowanie federalne wpływają na dziesięciolecia badań, naukowcy mogą zwrócić się do czarnych dziur w celu uzyskania tańszych, naturalnych alternatyw dla drogich obiektów szukających ciemnej materii i podobnie nieuchwytnych cząstek, które mają wskazówki dotyczące najgłębszych tajemnic wszechświata, sugeruje nowe badanie Johns Hopkins nad supermasywnymi czarnymi dziurami.
Odkrycia mogą pomóc w uzupełnieniu wydatków o wartości wielu miliardów dolarów i dziesięcioleci budowy potrzebnych do kompleksów badawczych, takich jak duży zderzak hadronowy, największy i najwyższej energii akcelerator cząstek na świecie.
„Jedną z wielkich nadziei na koliderów cząstek, takich jak duży zderzak Hadron, jest to, że wygeneruje on cząstki ciemnej materii, ale nie widzieliśmy jeszcze żadnych dowodów”-powiedział współautor badania Joseph Silk, profesor astrofizyki na Uniwersytecie Johns Hopkins i University of Oxford w Wielkiej Brytanii. „Właśnie dlatego trwają dyskusje na temat zbudowania znacznie mocniejszej wersji, superkollidera nowej generacji. Ale gdy inwestujemy 30 miliardów dolarów i czekamy 40 lat na zbudowanie tego superkollidera-natura może zapewnić spojrzenie na przyszłość w super masywnych czarnych dziurach”.
Badania zostały opublikowane 3 czerwca w Physical Review Letters.
Koldery cząstek rozbijają w sobie protony i inne cząsteczki subatomowe z niemal prędkością światła, odsłaniając najbardziej podstawowe aspekty materii. Subtelne błyski energii i zanieczyszczenia ze starcia mogą ujawnić wcześniej nieodkryte cząstki, w tym potencjalnych kandydatów na ciemną materię, krytyczny, ale upiorny składnik wszechświata, który naukowcy nie wykryli jeszcze. Obiekty takie jak duży zderzak hadronowy, 17-kilometrowy okrągły tunel, pomogły również przekształcić Internet, terapię raka i obliczenia o wysokiej wydajności.
Czarna dziura może obracać się wokół jego osi jak planeta, ale z znacznie większą siłą ze względu na intensywne pole grawitacyjne. Naukowcy coraz częściej odkrywają, że niektóre szybko wirujące masywne czarne dziury w centrach galaktyk uwalniają ogromne wybuch plazmy, prawdopodobnie z powodu dysztów napędzanych energią z ich rozbieżności i otaczających dysków akrecyjnych. Nowe badanie pokazuje te wydarzenia, które potencjalnie mogą wygenerować takie same wyniki, co superkollidery, które superkollidery.
„Jeśli supermasywne czarne dziury mogą generować te cząsteczki za pomocą wysokoenergetycznych kolizji protonowych, możemy uzyskać sygnał na Ziemi, niektóre naprawdę wysokoenergetyczne cząstki przechodzą szybko przez nasze detektory”-powiedział Silk, który jest również badaczem w Instytucie Astrophysics w Paryżu i na Uniwersytecie Oxford. „Byłby to dowód na nowatorski zderzak cząstek w najbardziej tajemniczych obiektach we wszechświecie, osiągając energię, które byłyby nieosiągalne w każdym akceleratorze naziemnym. Widzielibyśmy coś z dziwnym podpisem, które zapewnia dowody na ciemną materię, która jest nieco bardziej skokiem, ale jest to możliwe”.
Nowe badanie pokazuje, że zanurzenie „przepływu gazu” w pobliżu czarnej dziury może czerpać energię z jej obrotu, stając się znacznie bardziej gwałtownym niż naukowcy, które sądzą. W pobliżu szybko wirującej czarnej dziury cząstki te mogą chaotycznie zderzyć. Chociaż nie jest to identyczny, proces ten jest podobny do kolizji, które naukowcy tworzą przy użyciu intensywnych pól magnetycznych do przyspieszenia cząstek w okrągłym tunelu wysokoenergetycznego zderzacza cząstek.
„Niektóre cząsteczki z tych zderzeń spadają po gardle czarnej dziury i znikają na zawsze. Ale ze względu na ich energię i pęd, niektóre również wychodzą, a to te, które wychodzą, są przyspieszone do bezprecedensowo wysokich energii” – powiedział Silk. „Dowiedzieliśmy się, jak energetyczne mogą być te wiązki cząstek: tak potężne, jak dostaniesz od superkollidera, lub więcej. Bardzo trudno jest powiedzieć, jaki jest limit, ale z pewnością zależy one do energii najnowszego superkomolatora, który planujemy zbudować, więc zdecydowanie mogą dać nam uzupełniające wyniki”.
Aby wykryć takie wysokoenergetyczne cząstki, naukowcy mogliby używać obserwatoriów już śledzących supernowe, masywne erupcje czarnej dziury i inne kosmiczne zdarzenia, powiedział Silk. Należą do nich detektory, takie jak Obserwatorium Neutrino IceCube w biegunie południowym lub teleskop neutrino w Kilometrze, który niedawno wykrył najbardziej energetyczne neutrino, jakie kiedykolwiek zarejestrowano pod Morzem Śródziemnym.
„Różnica między superkolistką a czarną dziurą polega na tym, że czarne dziury są daleko” – powiedział Silk. „Niemniej jednak te cząstki dotrą do nas”.
Dr Andrew Mummery, fizyk teoretyczny z University of Oxford, jest również autorem badania.