Question

如何利用黑洞作为超强的粒子加速器？

Answer 1

基础物理学的发展离不开深入揭示物质的结构，这就需要通过高能粒子加速器来产生新粒子。可以说，粒子加速器从某种程度上制约着基础物理学的发展，人类需要一个更大的粒子加速器。有物理学家提出设想，利用黑洞作为粒子加速器。

在大型强子对撞机（LHC）于2012年发现粒子物理学中最后一块拼图——希格斯玻色子之后，关于下一步该怎么走的讨论很多。大型强子对撞机是目前世界上最强大的粒子加速器，其对撞粒子的能量约为13万亿电子伏特。

虽然这产生了一些超越标准模型的物理暗示，但它可能无法解决粒子物理学中一些最大的问题，物理学家需要更强大的粒子加速器。对此，有物理学家提议，建造一个能量为大型强子对撞机十倍的环形对撞机。但是建造和运行新粒子加速器的成本将会非常高昂，这让一些物理学家怀疑它的成本是否值得。

然而，如果我们可以使用宇宙中已经存在的粒子加速器，情况就不是这样了。科学家已经知道，黑洞是宇宙中最为强大的“引擎”，它们能产生高能粒子喷射流，这些粒子被加速到接近光速的速度离开黑洞。

不幸的是，黑洞产生的任何奇异高能粒子都会迅速衰变，所以我们无法直接观测到这些可能是标准模型之外的粒子。然而，最近发表在《物理评论D》（Physical Review D）上的一篇文章认为，我们也许能够通过引力波间接地观测到奇异的高能粒子。

在过去的几年里，天文学家观测到了黑洞和中子星合并产生的引力波。我们可以用足够的灵敏度来观测它们，这样我们就可以确定一些东西，比如合并体的初始质量和角动量，以及由此产生的黑洞质量和角动量。但是我们应该能够更敏感地测量合并过程中发生的其他能量波动，这就是这篇新论文的切入点。

旋转的黑洞倾向于通过一种被称为“参考系拖拽”的过程向环绕黑洞周围的物质云提供能量。如果一个黑洞周围的一团弥散物质开始与另一黑洞周围的物质合并，两个黑洞之间的参考系拖拽效应就会把大量的能量转移到物质上。这类似于旅行者1号探测器利用木星的引力弹弓效应加速到太阳系逃逸速度，但黑洞的威力要大得多。

在黑洞周围物质合并过程中，将会产生超辐射，它会制造出一束比我们在地球上所能产生的任何东西都要强大得多的高能粒子流，这可能会产生粒子物理标准模型之外的奇异粒子。虽然我们无法直接观测这些粒子，但是它们的能量会影响黑洞产生的引力波。通过寻找引力波中的波动，反过来我们可以知道奇异粒子的存在，或者至少知道哪些奇异粒子可能不会存在。

虽然黑洞粒子加速器不会像地球上人类建造的粒子加速器那样精确，但也许通过研究引力波，我们可以了解到存在着超越标准模型的粒子，这就使得建造新的粒子加速器是值得的，这样才能更好地知道物理学的发展方向。