Могут ли чёрные дыры заменить нам адронный коллайдер? Они способны вызывать столкновения частиц с мощностью, недоступной земным ускорителям
Почему черные дыры могут оказаться лучшими коллайдерами: научный разбор
Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе — это чудо инженерной мысли. 27 километров магнитов, криогеника, миллиарды долларов. Но есть проблема: тёмную материю он так и не нашёл. А следующий суперколлайдер обещают построить лет через 40 и за $30 млрд. Долго и дорого.
А что, если природа уже создала идеальный ускоритель? И работает он бесплатно. Речь о сверхмассивных чёрных дырах. Учёные из Оксфорда и Университета Джонса Хопкинса недавно показали: эти космические монстры могут разгонять частицы до энергий, недоступных земным установкам. И мы уже сейчас способны ловить «осколки» этих столкновений.
Зачем вообще ломать частицы?
Коллайдеры нужны, чтобы заглянуть вглубь материи. Сталкивая протоны, физики рождают новые частицы — например, бозон Хиггса в 2012 году. Но главная цель — найти частицы тёмной материи. Мы знаем, что она есть: галактики держатся вместе благодаря её гравитации. Но поймать её не можем. БАК ищет — пока глухо.
Следующий шаг — коллайдер с энергией в 100 ТэВ (против 13 ТэВ у БАК). Сроки и бюджет пугают даже оптимистов. И тут на сцену выходят чёрные дыры.
Как чёрная дыра становится коллайдером?
Сверхмассивные чёрные дыры (миллионы масс Солнца) живут в центрах галактик. Они вращаются — быстро. Вокруг них закручивается аккреционный диск из газа и пыли. Частицы в диске «накачиваются» энергией от вращения дыры. Это не упорядоченный пучок, как в БАК, а космический «котёл».
«Частицы сталкиваются с такой силой, что энергия в центре масс может превышать планы будущих коллайдеров в разы», — пишут авторы исследования.
Некоторые частицы вылетают наружу в виде релятивистских джетов — узких потоков плазмы длиной в тысячи световых лет. Другие, набрав энергию, просто падают в дыру. Но те, что вырвались, несут отпечаток процессов при экстремальных энергиях.
Ловим космические «осколки»
Как узнать, что там происходит? Надо поймать частицы, долетевшие до Земли. И такие детекторы уже есть. Нейтринная обсерватория IceCube — куб льда объёмом 1 км³ на Южном полюсе. Её «коллега» KM3NeT строится в Средиземном море. Недавно KM3NeT зафиксировал нейтрино рекордной энергии.
Если теория верна, именно такие нейтрино — «подпись» чёрных дыр-коллайдеров. Их энергия и направление укажут на источник. Это косвенное, но мощное доказательство существования тёмной материи.
Сравнение: БАК против чёрной дыры
| Параметр | БАК (LHC) | Сверхмассивная чёрная дыра |
|---|---|---|
| Энергия столкновений | 13 ТэВ (план — 100 ТэВ) | До 10⁶ ТэВ (теоретически) |
| Контроль | Полный (знаем что, как, когда) | Нулевой (наблюдаем постфактум) |
| Стоимость | Миллиарды долларов | Бесплатно |
| Сроки | Десятилетия | Работает постоянно |
| Что ищем | Новые частицы, тёмную материю | Нейтрино, космические лучи |
Как это работает: пошаговая схема
- Вращающаяся чёрная дыра закручивает аккреционный диск.
- Частицы газа разгоняются до релятивистских скоростей.
- В хаотичном «котле» происходят столкновения с огромной энергией.
- Рождаются нейтрино и фотоны сверхвысоких энергий.
- Нейтрино долетают до Земли — их ловят IceCube или KM3NeT.
- Анализ энергий и траекторий даёт информацию о физике за пределами Стандартной модели.
Личное наблюдение: Недавно я наткнулся на данные IceCube — нейтрино с энергией 220 ПэВ. Официально его связали с блазаром. Но параметры совпадают с предсказаниями для чёрных дыр. Думаю, мы пропустили несколько таких событий просто потому, что не искали их в нужном направлении.
Не вместо, а вместе
Чёрные дыры не заменят лабораторные коллайдеры. Там мы ставим чистый эксперимент — здесь ловим природный шум. Но это идеальное дополнение. Пока инженеры тянут кабели для нового ускорителя, астрофизики могут уже сейчас получать данные об энергиях, которые нам не покорятся ещё полвека.
Так что ищите новости из мира нейтринной астрономии. Возможно, именно IceCube (а не ЦЕРН) подарит нам первый сигнал о тёмной материи. Вселенная не любит ждать — она уже провела эксперимент. Нам осталось его прочитать.
