Аннотация:
В центре Млечного Пути спрятана сверхмассивная черная дыра с массой примерно в 4 миллиона солнечных — Стрелец А*. Хотя он находится на расстоянии около 26 000 световых лет от Земли и его текущая общая активность относительно тиха, он может обладать удивительным способом высвобождения энергии: жертвуя собственной энергией вращения, он ускоряет окружающие частицы до чрезвычайно высоких энергий и обеспечивает энергию для некоторых космических лучей в Млечном Пути.
17 октября 2026 г. издание SciTechDaily сообщило о последнем теоретическом исследовании этого механизма. Исследователи предполагают, что Стрелец А* может передавать энергию вращения черной дыры протонам посредством механизма, называемого «Магнитный процесс Пенроуза», позволяя этим частицам достигать энергетических уровней в несколько петаэлектронвольт (ПэВ). Результаты исследования еще раз подтверждают гипотезу о том, что Стрелец А* может быть естественным ускорителем частиц сверхвысоких энергий в Млечном Пути.
Исследование было выпущено в виде препринта 2 сентября 2026 года под названием «Стрелец А* как галактический ускоритель электронно-вольтаических частиц: многонаправленные характеристики магнитного процесса Пенроуза». С помощью теоретического моделирования исследовательская группа проанализировала, как частицы вблизи черной дыры приобретают чрезвычайно высокую энергию и какие сигналы этот процесс может оставить после себя, которые можно идентифицировать с помощью астрономических наблюдений. В настоящее время это все еще теоретическое объяснение, которое необходимо проверить наблюдениями, и оно не означает, что ученые подтвердили, что черная дыра в центре Млечного Пути таким образом ускоряет космические лучи.
Космические лучи — это частицы высокой энергии, которые движутся в космосе с чрезвычайно высокими скоростями и включают в себя протоны, атомные ядра и небольшое количество электронов. Их энергетический диапазон чрезвычайно широк, а некоторые космические лучи несут энергию, намного превышающую ту, которую люди могут достичь с помощью существующих ускорителей частиц. Ученые уже давно пытались выяснить, откуда берутся эти частицы и какой механизм использует природа, чтобы разогнать их до таких удивительных энергий.
На Земле люди используют большие ускорители частиц, чтобы постепенно увеличивать энергию заряженных частиц с помощью электрических полей. Но во Вселенной остатки сверхновых, пульсарные ветры и экстремальные условия вокруг черных дыр могут стать естественными ускорителями частиц. Особое беспокойство вызывает центр Млечного Пути, поскольку он содержит сверхмассивные черные дыры, большое количество газа, сильные магнитные поля и сложную радиационную среду высоких энергий.
По оценкам исследователей, протоны вблизи Стрельца A* могут ускоряться до энергий в несколько петаэлектронвольт. Один петаэлектронвольт эквивалентен 1000 триллионам электронвольт, или 10¹⁵ электронвольт. Этот энергетический уровень намного превышает энергию отдельного протона, достигнутую в результате столкновений протонов в Большом адронном коллайдере. Следовательно, если соответствующий механизм действительно существует, Стрелец А* может стать одним из важных источников частиц высоких энергий в Млечном Пути.
Этот тип небесного тела, способный ускорять протоны до уровня энергии электрон-вольт, называется «ПеВатрон», который представляет собой ускоритель частиц уровня электрон-вольт. Астрономы наблюдали высокоэнергетические гамма-лучи в центре Млечного Пути, но возникает ли это излучение в результате ускорения частиц вблизи черной дыры или в результате взаимодействия других небесных тел с более крупномасштабными космическими лучами, до сих пор остается спорным.
Обычно яркое излучение вокруг черной дыры исходит в основном от материала, упавшего в черную дыру до ее падения. Газ собирается, сжимается и нагревается под действием гравитационного притяжения черной дыры, образуя высокотемпературный аккреционный поток или аккреционный диск, а материал выделяет большое количество энергии, прежде чем окончательно пересечь горизонт событий.
Но сами по себе черные дыры не просто поглощают энергию. Из вращающихся черных дыр энергию, переносимую их вращением, также можно извлечь при определенных условиях. Именно на этом механизме, напрямую использующем энергию вращения черных дыр, исследователи сейчас сосредоточены.
Эту теорию можно проследить до процесса Пенроуза, предложенного физиком Роджером Пенроузом в 1969 году. Согласно общей теории относительности, вокруг вращающейся черной дыры существует область, называемая «эргосферой». Здесь вращение черной дыры настолько сильно увлекает окружающее пространство-время, что объекты не могут оставаться неподвижными относительно удаленного наблюдателя, а должны двигаться в направлении вращения черной дыры.
При определенных условиях, если частицы попадают в энергетический слой и подвергаются соответствующим процессам расщепления, некоторые из них могут упасть в черную дыру, неся отрицательную энергию, определенную относительно бесконечности, тогда как другая часть может уйти с большей энергией, чем исходные частицы. Дополнительная энергия, полученная вылетевшими частицами, исходит от энергии вращения самой черной дыры.
Думайте об этом как об извлечении механической энергии из быстро вращающейся машины: вылетающие частицы получают дополнительную энергию, в то время как энергия вращения черной дыры соответственно уменьшается. Упомянутое здесь «потребление собственной энергии» не означает, что черная дыра горит как топливо, а означает, что ее энергия вращения передается внешним частицам.
Исследователи далее рассмотрели роль магнитных полей в этом процессе. Магнитный процесс Пенроуза использует магнитное поле вокруг черной дыры для изменения движения и распределения энергии заряженных частиц, так что энергия вращения черной дыры может более эффективно передаваться заряженным частицам, таким как протоны.
В модели, предложенной в этом исследовании, ключевое звено начинается с ядерных реакций в горячем газе, окружающем черную дыру. Некоторые ядерные реакции могут производить нейтроны. После того, как эти нейтроны попадают в энергетический слой черной дыры, они могут подвергнуться радиоактивному распаду с образованием протонов, электронов и антинейтрино.
Нейтроны сами по себе не заряжены и поэтому не подвергаются прямому воздействию силы Лоренца магнитного поля, как протоны. Но протоны, образующиеся после распада нейтрона, имеют электрический заряд и могут взаимодействовать с окружающим магнитным полем. Исследователи полагают, что при правильных условиях эти протоны могут получить энергию от вращения черной дыры и впоследствии уйти в более широкое межзвездное пространство.
Этот механизм не требует, чтобы черная дыра была чрезвычайно активной. Текущая аккреционная активность Стрельца А* относительно слаба, но он все еще имеет огромную массу и потенциально значительную энергию вращения. Пока окружающая среда имеет правильное магнитное поле, условия генерации частиц и геометрию, процесс извлечения энергии возможен.
Однако возможность применения модели к реальному центру Млечного Пути по-прежнему зависит от ряда параметров, которые еще не полностью определены, включая силу магнитного поля вокруг черной дыры, скорость образования частиц, состояние вращения черной дыры и различные потери, которые несут высокоэнергетические частицы во время их вылета.
Если протоны высокой энергии все-таки вырываются из окрестностей черной дыры, они могут столкнуться с плотным газом в центре Млечного Пути по мере распространения наружу, производя высокоэнергетические гамма-лучи и нейтрино. Эти вторичные частицы предоставляют ученым важный способ проверки теорий.
Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение чрезвычайно высокой энергии, которое не заряжено, поэтому при прохождении через межзвездное пространство они не перенаправляются магнитными полями радикально, как заряженные частицы в космических лучах. Их направление распространения часто помогает астрономам отследить источник излучения. Напротив, на протоны космических лучей влияют межзвездные магнитные поля, и их траектории могут быть значительно искривлены, что затрудняет определение места их первоначального ускорения непосредственно по направлению, в котором они достигают Земли.
Исследовательская группа рассчитала энергетический спектр гамма-лучей, которые могут возникнуть в результате магнитного процесса Пенроуза, и сравнила результаты модели с существующими наблюдениями. Исследователи полагают, что излучение, создаваемое этим механизмом, может способствовать некоторым сигналам в наблюдениях высокоэнергетического гамма-излучения, в том числе обнаруженным с помощью системы высокоэнергетического стереоскопического телескопа H.E.S.S. и Высотная водная Черенковская гамма-обсерватория HAWC.
Если характеристики энергетического спектра, предсказанные различными теоретическими моделями, можно будет измерить более точно, у исследователей появится возможность определить, действительно ли в центре Млечного Пути работает механизм извлечения энергии вращения черной дыры.
Будущее наблюдательное оборудование может стать ключом к проверке этой теории. Исследовательская группа отметила, что запланированная обсерватория гамма-излучения широкого поля южного полушария (SWGO), как ожидается, обнаружит соответствующие сигналы, предсказанные ее моделью, а Черенковская обсерватория с решеткой телескопов (CTAO) также может протестировать некоторые теоретические сценарии.
SWGO планирует использовать решетку обнаружения большой площади для непрерывного мониторинга высокоэнергетических гамма-лучей, которая особенно подходит для наблюдения за важными областями неба, такими как центр Млечного Пути. Инструменты с широким полем зрения могут отслеживать изменения высокоэнергетического излучения в небе в течение более длительных периодов времени, чем телескопы, которые можно направить на конкретную цель только в течение ограниченного времени, помогая исследователям изучать текущие процессы ускорения частиц.
Однако одного открытия гамма-лучей высоких энергий недостаточно, чтобы доказать существование магнитного процесса Пенроуза. Окружающая среда в центре Млечного Пути чрезвычайно сложна: она включает не только сверхмассивные черные дыры, но и большое количество звезд, плотные газовые облака, другие потенциальные источники ускорения частиц высоких энергий и широкий спектр диффузного излучения. Различные механизмы могут давать схожие наблюдаемые сигналы.
Поэтому ученым необходимо объединить гамма-лучи с другими типами наблюдений, особенно с сигналами нейтрино. Когда протоны высокой энергии сталкиваются с газом, они могут не только производить гамма-лучи, но и нейтрино. Нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с материей и могут покидать плотную небесную среду, что дает исследователям еще один ключ к разгадке процессов ускорения частиц.
Но в настоящее время наблюдения нейтрино в центре Млечного Пути не дали результатов, достаточных для определения соответствующего механизма. В сентябре 2026 года анализ, опубликованный Нейтринной обсерваторией IceCube в сотрудничестве с HAWC, не обнаружил значительного сигнала нейтрино в центре Млечного Пути и установил новые ограничения на интенсивность связанного с ним излучения. Исследователи отметили, что в будущем более чувствительные установки для наблюдения нейтрино, такие как IceCube-Gen2, KM3NeT и P-ONE, могут помочь ученым дополнительно определить, возникают ли высокоэнергетические гамма-лучи в центре Млечного Пути главным образом в результате взаимодействия между протонами и газом.
Этот фон также показывает, что, хотя механизм извлечения энергии черной дыры имеет четкую теоретическую основу, все еще необходимы более богатые и точные данные, чтобы связать его с реальными наблюдениями. Исследователи должны исключить другие возможные источники высокоэнергетического излучения и проверить, действительно ли существуют спектральные особенности, предсказанные теорией.
Значение этого исследования заключается в том, что оно дает объяснение источнику высокоэнергетических космических лучей в центре Млечного Пути, который можно дополнительно проверить. Традиционно ученые обычно сосредотачиваются на том, как взрывы сверхновых, ударные волны и магнитные поля ускоряют космические лучи; в то время как магнитный процесс Пенроуза обращает внимание на энергию вращения самой черной дыры, указывая на то, что даже если черная дыра находится в относительно спокойном состоянии, она может передавать энергию внешним частицам посредством особых физических механизмов.
Если будущие наблюдения подтвердят, что этот процесс действительно происходит, Стрелец А* станет не только массивным источником гравитации в центре Млечного Пути, но также может стать важным источником энергии, влияющей на среду высокоэнергетических частиц Млечного Пути. Это также поможет ученым лучше понять, как сверхмассивные черные дыры влияют на окружающий газ, радиационную среду и эволюцию всей центральной области галактики посредством выделения энергии.
В настоящее время то, что предложили исследователи, по-прежнему является теоретической моделью, а не непосредственно подтвержденным процессом извлечения энергии черной дыры. Будущие результаты наблюдений с помощью SWGO, CTAO и оборудования для наблюдения за нейтрино нового поколения помогут определить, согласуются ли эти предсказания с характеристиками реальной Вселенной. Для людей черная дыра в центре Млечного Пути до сих пор скрывает множество загадок, а космические лучи могут дать важные подсказки о том, как работает ее энергия.
Комментарии