黑洞竟成天然粒子對撞機？科學家發現宇宙終極加速器

牛津大學、約翰霍普金斯大學與巴黎天體物理研究所的最新研究揭示，當來自無限遠處的自由落體粒子與逆行軌道的吸積盤物質在旋轉黑洞附近相撞時，能產生相當於數十至數百兆電子伏特的質心能量，這正是宇宙中天然形成的超級粒子加速器運作原理。

這幅藝術家概念圖描繪了銀河系中心的超大質量黑洞——人馬座A*。影像來源：NASA / ESA / CSA / Ralf Crawford, STScI。

大型強子對撞機等裝置讓科學家得以用近光速撞擊質子與其他次原子粒子，揭開物質最基礎的奧秘。這些碰撞產生的細微能量閃光與碎片，可能揭露包括暗物質候選者在內的新粒子——這種構成宇宙的關鍵成分至今仍如幽靈般難以捕捉。

約翰霍普金斯大學與牛津大學的天體物理學家喬瑟夫·西爾克教授指出：「我們寄望大型強子對撞機能產生暗物質粒子，但至今未見蹤跡。正因如此，學界正討論建造更強大的次世代對撞機。」

「不過當我們投入300億美元、耗時40年建造新對撞機時，宇宙中的超大質量黑洞可能已提前展現未來景象。」西爾克教授解釋道。

就像行星會自轉，黑洞也會繞軸旋轉，但其強大的重力場讓這種旋轉更具威力。科學家逐漸發現，某些星系核心的快速旋轉黑洞會噴發巨大電漿流，這可能源自其旋轉能量與吸積盤驅動的噴流。

「若超大質量黑洞能透過高能質子碰撞產生這些粒子，地球上的偵測器或許能捕捉到高速穿過的超高能粒子訊號。」西爾克教授說，「這將證明宇宙最神秘天體中存在著超越任何人造加速器的天然對撞機。」

最新研究顯示，黑洞附近的墜落氣流能從其自轉中汲取能量，產生比預期更劇烈的碰撞。這些粒子在快速旋轉的黑洞周圍會發生混沌碰撞，過程雖不盡相同，原理卻類似科學家用強磁場在環形隧道中加速粒子的方式。

「部分碰撞粒子會墜入黑洞永遠消失，」西爾克教授說明，「但有些粒子會因能量與動量而逃逸，這些粒子將被加速到前所未有的高能狀態。」研究團隊計算出這些粒子束的能量可媲美甚至超越現有超級對撞機。

要偵測這類高能粒子，科學家可利用現有的南極冰立方微中子觀測站或地中海下的立方公里微中子望遠鏡等裝置。西爾克教授強調：「黑洞雖然遙遠，但這些粒子終將抵達地球。」

該研究論文已刊登於《物理評論快報》，為人類探索宇宙基本粒子開闢全新途徑。

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Andrew Mummery & Joseph Silk. 2025. Black Hole Supercolliders. Phys. Rev. Lett 134, 221401; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.221401