大規模的模拟表明，超大質量黑洞可以将粒子加速到超高能量。

幾十年來，天體物理學家一直認為，地球上探測到的神秘的超高能量宇宙射線(UHECRs)可能來自活動星系核(AGN)，即星系中心的超大質量黑洞。然而，粒子加速的機理還不清楚。現在，一組研究人員利用空前規模的模拟來提出一種機制。這些結果加強了AGN是UHECR源的想法，盡管一些專家警告說，當用來預測如此高能量的質子時，模拟有局限性。

大多數宇宙射線是質子或原子核，能量在10^8 eV左右。uhecr的能量在10^18eV以上，自20世紀60年代以來，在地球上已經偶爾發現過，但它們的來源仍不确定。最近，來自AGN的高能中微子和伽馬射線同時被探測到，這被視為AGN是UHECR源的有力證據，因為這兩種事件都可以用質子加速到超高能量來解釋。不過，其它uhecr來源的候選者，如相對論性超新星和伽馬射線爆發，仍然是可行的。

天體物理噴流是沿巨大天體(如AGN)的旋轉軸向兩個方向發射的電離物質束。相對論性的AGN噴流——其中一些粒子以接近光速的速度運動——已經從觀測和理論上得到了徹底的研究。它們的大部分能量儲存在螺旋結構的強大磁場中。以往的模拟表明，射流等離子體是不穩定的; 與星際介質的相互作用導緻了被稱為扭結不穩定性的噴射流的扭曲，噴射流的柱狀形狀彎曲和扭曲。

研究人員懷疑，這些扭結不穩定性可以産生足夠強的電場，将粒子加速到超高能量，甚至還從這些結構中看到了暗示的伽馬射線和x射線發射。但是理論學家們還沒有完全理解加速過程是如何工作的。

弗雷德裡克Fiuza SLAC國家加速器實驗室的門洛帕克, 加利福尼亞州,和他的團隊決定AGN的模拟飛機前所未有的規模:在先前的模拟建模射流等離子體流體,提供一個粗糙的描述,他們将模型在單個粒子的水平。SLAC團隊成員保羅·阿爾維斯(Paulo Alves)解釋說，這個項目所需的強大計算能力阻止了其他人更快地進行嘗試。

該團隊在一台超級計算機上進行了模拟，在一個“共動”的參考系中跟蹤了5500億個粒子，這些粒子從射流的一個平滑區域流出，穿過一個扭結不穩定區域，在那裡磁場不斷地擺動和彎曲。研究人員并沒有試圖跟蹤這些粒子在整個噴流中的移動，而是關注了不穩定性附近的活動。

一組固定的等離子體粒子所看到的場，随着粒子從射流的平滑區域移動到帶有扭曲不穩定性的區域而變化。

研究小組發現，磁場的持續擺動産生了一個強大的電場，這個電場通常沿着射流的方向，垂直于環繞射流的磁場更平滑的部分。但是這個電場通常不能加速帶電粒子，因為它們通常被限制在沿着磁場線移動。然而，在模拟中，扭結不穩定性使磁場線糾纏在一起，以至于粒子可以穿過它們，并可以被電場加速到足夠高的能量，從而成為uhecr。

在大型強子對撞機發現希格斯玻色子之後，人們對未來的方向進行了很多讨論。大型強子對撞機是目前世界上最強大的粒子加速器，以約13Tev的能量對粒子進行碰撞。雖然這已經産生了一些超出标準模型的物理學線索，但它可能無法解決粒子物理學中的一些最大問題。我們需要的是一個更強大的粒子加速器。有人提議建造一個未來環形對撞機，其運行速度是大型強子對撞機的近10倍，但建造和運行它将極其昂貴，這讓一些科學家懷疑它是否值得。

但如果我們可以使用自然界中已經存在的粒子加速器呢? 如果我們可以利用黑洞呢? 我們已經知道黑洞是強大的引擎，能産生高能粒子噴射，這些高能粒子以接近光速的速度從黑洞中噴射出來。不幸的是，它們産生的任何奇異的高能粒子都會迅速衰變，所以我們無法直接觀察到它們。但最近《物理評論D》上的一篇文章認為，我們或許可以通過引力波間接觀察到它們。

在過去的幾年裡，天文學家觀測到了黑洞和中子星合并産生的引力波。我們可以以足夠的靈敏度觀察它們，從而可以确定一些東西，比如合并物體的初始質量和旋轉，以及産生的黑洞的質量和旋轉。但如果靈敏度更高，我們應該能夠測量合并過程中出現的其他能量波動。

黑洞加速器是如何工作的?

有了這樣的能量輸出，假設能量100%轉化為動能，黑洞可以在20天内加速到光速的10% . ...要讓黑洞成為能量源和引擎，還需要一種将霍金輻射轉化為能量和推力的方法。

如何從黑洞中提取能量?

旋轉的黑洞儲存着可以被提取的旋轉能量; 當一個黑洞沉浸在外部提供的磁場中時，能層内的磁力線的重新連接可以産生負能量粒子，這些粒子落入黑洞視界，而其它粒子被加速……

旋轉的黑洞傾向于通過一種被稱為坐标系拖曳的過程向周圍的物質雲提供能量。當一個黑洞開始與另一個黑洞合并時，如果一個彌漫性的物質雲團位于黑洞周圍，兩個黑洞之間的框架拖曳效應可以将大量的能量轉移到物質上。這類似于衛星通過木星到達外太陽系的方式，但要強大得多。這被稱為超級輻射，它會産生一束粒子，比我們在地球上創造的任何東西都要強大得多。這可能會産生超出标準模型的奇異粒子。我們不能直接觀察到這些粒子，但粒子的能量會影響黑洞産生的引力波。通過尋找引力波的波動，我們可以知道外來粒子的存在，或者至少可以限制外來粒子的存在。

黑洞粒子加速器不可能像地球上的那樣精确。但也許通過研究引力波，我們可以了解到在标準模型之外還有粒子存在，這可能會讓建造新的粒子加速器變得值得。

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