宇宙充滿了高能粒子,例如 X 射線、伽馬射線和中微子。然而,大多數高能宇宙粒子的起源仍然無法解釋。
現在,一個國際研究團隊提出了一個可以解釋這些的場景;低活動性的黑洞是高能宇宙粒子的主要工廠。
他們的研究細節發表在《自然通訊》雜志上。
伽馬射線是高能光子,其能量比可見光高許多數量級。太空衛星已經探測到能量從兆電子到千兆電子伏特的宇宙伽馬射線。
中微子是質量接近于零的亞原子粒子。他們很少與普通物質互動。冰立方中微子天文臺的研究人員還測量了高能宇宙中微子。
伽馬射線和中微子都應該由強大的宇宙射線加速器或宇宙中的周圍環境產生。然而,它們的起源仍然未知。人們普遍認為,活躍的超大質量黑洞(所謂的活躍星系核),尤其是那些擁有強大噴流的黑洞,是最有希望的高能伽馬射線和中微子發射器。然而,最近的研究表明,它們不能解釋觀察到的伽馬射線和中微子,這表明其他來源類別是必要的。
新模型表明,不僅活躍的黑洞而且非活躍的“柔和”黑洞也很重要,它們充當伽馬射線和中微子工廠。
預計所有星系的中心都將包含超大質量黑洞。當物質落入黑洞時,會釋放出巨大的引力能量。這個過程加熱氣體,形成高溫等離子體。由于冷卻效率低下,低吸積黑洞的溫度可高達數百億攝氏度,而等離子體可產生兆電子伏特范圍內的伽馬射線。
這種柔和的黑洞作為單個物體是暗淡的,但它們在宇宙中數量眾多。研究小組發現,來自低吸積超大質量黑洞的伽馬射線可能對觀測到的兆電子伏特范圍的伽馬射線有重大貢獻。
在等離子體中,質子可以被加速到大約比大型強子對撞機(最大的人造粒子加速器)所達到的能量高 10,000 倍的能量。加速的質子通過與物質和輻射的相互作用產生高能中微子,這可以解釋宇宙中微子數據的高能部分。正如之前的研究所證明的那樣,這張圖片可以應用于活躍的黑洞。包括活動和非活動星系核的超大質量黑洞可以解釋大部分觀測到的冰立方中微子在很寬的能量范圍內。
未來的多信使觀測計劃對于確定宇宙高能粒子的起源至關重要。提議的情景預測了中微子源在兆電子伏特范圍內的伽馬射線對應物。大多數現有的伽馬射線探測器都沒有調整到探測它們;但未來的伽馬射線實驗,連同下一代中微子實驗,將能夠探測到多信使信號。