Сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* в центре Млечного Пути может разгонять протоны до энергий в несколько петаэлектронвольт, отнимая энергию у собственного вращения. Новые расчёты показывают, что механизм, предложенный Роджером Пенроузом ещё в 1969 году, способен превратить окрестности чёрной дыры в один из самых мощных естественных ускорителей частиц в Галактике.
Физики получили энергии примерно от 1 до 10 ПэВ. Источники, способные разгонять частицы до петаэлектронвольтного диапазона, называют пэватронами. Астрономы давно видят из центра Млечного Пути гамма-излучение сверхвысокой энергии, поэтому Стрелец A* уже считали одним из кандидатов на роль галактического пэватрона. Новая модель предлагает конкретный способ, которым чёрная дыра могла бы разгонять частицы.
Ключевую роль играет процесс Пенроуза. Быстро вращающаяся чёрная дыра закручивает вокруг себя пространство-время. Возле её горизонта событий находится эргосфера, где частицу уже нельзя удержать неподвижной относительно далёкого наблюдателя: пространство увлекает её вслед за вращением чёрной дыры.
Пенроуз показал, что из этой области теоретически можно забрать часть энергии вращения. Если частица распадётся внутри эргосферы, один из продуктов может упасть в чёрную дыру с отрицательной энергией с точки зрения внешнего наблюдателя. Второй продукт тогда вылетит наружу с большей энергией, чем несла исходная частица. Разницу отдаёт вращение чёрной дыры.
Авторы новой работы добавили к этой схеме сильное магнитное поле и нейтроны, которые рождаются в раскалённом веществе возле Стрельца A*. Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому магнитное поле почти не мешает ему добраться до эргосферы. Там нейтрон способен распасться на протон, электрон и антинейтрино.
Дальше магнитное поле резко меняет судьбу заряженных частиц. В рассчитанном сценарии электрон падает в чёрную дыру, а протон вырывается наружу и получает огромную прибавку энергии. Чем быстрее вращается Стрелец A* и чем сильнее магнитное поле возле него, тем выше может оказаться энергия улетающего протона.
На этом история частицы не заканчивается. Покинув окрестности чёрной дыры, быстрые протоны врезаются в плотный газ центральной части Млечного Пути. Столкновения рождают гамма-кванты и нейтрино, которые можно искать земными обсерваториями.
Модель пока не доказывает, что Стрелец A* действительно разгоняет частицы именно таким способом. Рассчитанный гамма-поток не превышает уже измеренное излучение из центра Галактики, поэтому существующие наблюдения не противоречат сценарию, но и не подтверждают его. Авторы рассчитывают найти более убедительную подсказку в форме энергетического спектра: процесс Пенроуза должен оставить в гамма-излучении характерный рисунок.
Проверить идею смогут более чувствительные гамма- и нейтринные обсерватории. Если приборы одновременно обнаружат предсказанные особенности гамма-спектра и подходящий поток нейтрино, у физиков появится способ проверить, действительно ли Стрелец A* отдаёт часть энергии собственного вращения окружающим частицам. Пока работа остаётся теоретической моделью, прямых наблюдений магнитного процесса Пенроуза возле чёрной дыры нет.
