Черные дыры - это мощные двигатели чистой гравитации, способные так сильно притягивать объекты, что от них невозможно сбежать.

Когда эти объекты приближаются к горизонту событий, они разгоняются до невероятных скоростей. Теперь некоторые физики предлагают использовать гравитационное притяжение черных дыр для создания свирепых ускорителей частиц. Уловка, как показало новое исследование, заключается в том, чтобы тщательно все настроить, чтобы частицы не терялись навсегда в ненасытной черной дыре. Это новое понимание может помочь нам идентифицировать черные дыры по потокам вылетающих из них частиц.

Падение вместе

Допустим, частица начинает падать в черную дыру. По мере приближения к черной дыре он ускоряется, как мяч, катящийся с холма. На самом деле, это намного хуже, чем мяч, катящийся с холма, потому что гравитация черной дыры настолько сильна, что частицы могут падать быстрее скорости света.

Горизонт событий - расстояние от черной дыры, где падающие частицы достигают скорости света - определяет границу черной дыры.

По теме: Что произойдет, если вы упадете в черную дыру?

Если частица падает, она теряется навсегда, запертая за горизонтом событий без надежды на спасение. Когда вы думаете о создании ускорителя частиц, эта область не подходит, поскольку ускоритель, который никогда не выплевывает частицы, не принесет никакого удовольствия.

Но это история всего лишь об одной одинокой частице. Когда задействованы две или более частицы, все может стать интересным.

До крайности

Если две частицы приближаются к черной дыре, каждая из них получает огромный прирост энергии. Наши нынешние коллайдеры частиц ускоряют тяжелые частицы до более чем 99% скорости света, но для этого требуется много работы (и в случае крупнейшего в мире разрушителя атомов, Большого адронного коллайдера, кольца сверхпроводящих каналов почти на 17 миль, или 27 километров в длину). Черные дыры создают такое безумное ускорение просто своим существованием.

По мере приближения двух частиц к горизонту событий их скорость увеличивается. И если у них просто так получится правильная комбинация входящей скорости и направления, они могут срикошетить друг от друга, отправив одного из них к своей гибели, поскольку другой облетает край горизонта событий, прежде чем улететь в безопасное место.

По теме: Самые большие открытия черной дыры

Эти события редки, но предыдущие исследования показали, что частицы способны сталкиваться друг с другом с произвольно высокими энергиями - все зависит от того, насколько близко они могут подойти к горизонту событий (и насколько близко они приближаются к скорости света) в точке момент столкновения.

Этот ускоритель элементарных частиц будет работать даже лучше для вращения черных дыр. Из-за своего экстремального вращения эти типы черных дыр могут вращать пространство-время вокруг горизонта событий, позволяя большему количеству частиц достигать окрестностей горизонта событий, прежде чем улететь в бесконечность.

Однако в этой истории есть одна загвоздка. Из-за сложной природы задействованной математики этот сценарий черной дыры как частицы-пушки был исследован только в случае так называемых «экстремальных» черных дыр. Это теоретические черные дыры с наименьшей возможной массой, способной вращаться с заданной скоростью. В реальной жизни ученые думают, что почти все (если не все) черные дыры намного массивнее, чем они должны быть.

Это сделало бы реальные черные дыры «неэкстремальными», а это означает, что до сих пор физики не были уверены, могут ли они действовать как коллайдеры частиц или нет.

Все это работает

Оказывается, да, благодаря новому исследованию, опубликованному 1 октября в базе данных препринтов. arXiv и собирается опубликовать в журнале Physics Review D. Новое исследование показало, что более реалистичные черные дыры, включая массивные вращающиеся черные дыры и электрически заряженные черные дыры, все еще могут эффективно ускорять частицы.

Однако это не обычная пушка для частиц. Чтобы получить требуемый высокоскоростной толчок, входящие частицы должны устремляться внутрь уже с высокой скоростью, что как бы сводит на нет суть дела. Но исследователи обнаружили, что рядом с горизонтом событий могут произойти множественные столкновения на низкой скорости, что приведет к желаемому выходу высокой энергии.

К сожалению, поскольку столкновения должны происходить вблизи горизонта событий, чтобы достичь таких безумных энергий, когда они покидают черную дыру, им приходится бороться со всей этой почти подавляющей гравитацией, замедляя их, прежде чем они достигнут истинной свободы в межзвездном пространстве. К счастью, исследователи нашли решение и для этой проблемы, показав, что столкновения высоких энергий могут происходить вокруг вращающихся черных дыр, не приближаясь слишком близко к горизонту событий, а это означает, что частицы могут разлетаться в сиянии славы.

Источник

Черные дыры могут стать мощными ускорителями частиц