В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Sgr A* массой около четырех миллионов Солнц. Обычно энергию окрестностей черных дыр связывают с падающим веществом: газ нагревается, ускоряется и взаимодействует с магнитными полями. Но теоретически существует гораздо более необычный источник — энергия вращения самой черной дыры. Новая работа предлагает конкретный механизм, способный превращать ее в энергию частиц космических лучей.
Идея восходит к процессу Пенроуза, предложенному Роджером Пенроузом в 1969 году. Он применим к вращающимся, или керровским, черным дырам. Такая черная дыра не просто искривляет пространство-время, но и увлекает его за собой. Ближе к горизонту событий возникает особая область — эргосфера, где ни один объект уже не может оставаться неподвижным относительно далекого наблюдателя и вынужден двигаться в направлении вращения черной дыры.
Необычная геометрия эргосферы допускает состояния, энергия которых с точки зрения удаленного наблюдателя может быть отрицательной. Если частица распадается там на две части и одна из них падает в черную дыру по такой траектории, второй фрагмент способен вылететь наружу с большей энергией, чем имела исходная частица. Недостающая энергия берется из вращения черной дыры, которая в результате теряет крошечную часть своей вращательной энергии и массы.
В классическом варианте эффективность процесса ограничена. Но возле реальной сверхмассивной черной дыры присутствуют магнитные поля, а заряженные частицы взаимодействуют с ними чрезвычайно сильно. Магнитный процесс Пенроуза объединяет геометрию вращающейся черной дыры с электромагнитным ускорением и теоретически позволяет получить гораздо более энергичные частицы.
Авторы новой работы применили эту идею к Sgr A*. В качестве исходной частицы они рассмотрели нейтрон. У него нет суммарного электрического заряда, поэтому магнитное поле не отклоняет его так, как протон или электрон. Это позволяет нейтрону проникнуть глубоко в окрестности черной дыры по траектории, которая для заряженной частицы могла бы быть недоступна.
Свободный нейтрон нестабилен. Он распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Если такой распад происходит в подходящей области возле вращающейся черной дыры, заряженные продукты сразу начинают взаимодействовать с магнитным полем. При определенной геометрии электрон может перейти на состояние, эффективно соответствующее отрицательной энергии относительно удаленного наблюдателя, и быть захвачен черной дырой, тогда как протон уносит наружу дополнительную энергию.
По расчетам авторов, при подходящих параметрах протоны могут достигать энергий порядка петаэлектронвольт, то есть 10¹⁵ электронвольт. Это примерно в тысячу раз превышает энергию отдельных протонов в Большом адронном коллайдере. Астрофизические объекты, способные ускорять частицы до такого диапазона, называют певатронами.
Такой протон не обязательно полетит к Земле. В центральной области Галактики много газа, и ускоренные частицы будут сталкиваться с его атомными ядрами. При этих столкновениях рождаются нестабильные частицы, распад которых, в свою очередь, производит гамма-излучение. Поэтому предполагаемый ускоритель возле Sgr A* должен оставлять характерный высокоэнергетический гамма-сигнал.
Есть и второй канал наблюдений. При исходном бета-распаде нейтрона возникает антинейтрино, а дополнительные нейтрино могут появляться в последующих взаимодействиях высокоэнергетических частиц. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом и способны покидать плотные области вокруг галактического центра практически без изменений. Совместное обнаружение характерных гамма-квантов и нейтрино стало бы значительно более сильным аргументом в пользу механизма, чем один вид излучения.
Именно поэтому авторы называют предлагаемую сигнатуру мультимессенджерной: информация об одном физическом процессе поступает через разные типы частиц. Однако расчеты показывают, что ожидаемый поток слишком слаб для уверенного обнаружения современными инструментами. Перспективы связывают с будущими более чувствительными гамма- и нейтринными обсерваториями.
При этом работа пока является препринтом и не прошла полноценное журнальное рецензирование. Она представляет теоретический сценарий, зависящий от предположений о вращении Sgr A*, конфигурации магнитного поля, количестве нейтронов и свойствах вещества возле черной дыры. Даже обнаружение гамма-квантов и нейтрино из центра Галактики потребует исключить другие механизмы ускорения частиц.
Поэтому говорить, что Sgr A* уже доказанно работает как певатрон именно благодаря процессу Пенроуза, нельзя. Значение работы в другом: она предлагает потенциально наблюдаемый способ проверить один из самых необычных эффектов общей теории относительности. Если предсказанная комбинация сигналов когда-нибудь будет обнаружена и надежно связана с этим механизмом, мы получим свидетельство того, что природа действительно умеет напрямую превращать вращение черной дыры в энергию почти релятивистских частиц.
- Понравилось: 30
А затем «Добавить на главный экран». 