Чорна діра Стрілець A* може розганяти частинки до PeV-енергій

18 жовтня 2026 р. 13:23

18 жовтня 2026 р. 13:23

Надмасивна чорна діра в центрі Чумацького Шляху, відома як Стрілець A* (Sgr A*), може працювати як природний прискорювач частинок, розганяючи їх до енергій, недосяжних для земних колайдерів. Нова теоретична робота, про яку розповідає SciTechDaily , припускає, що чорна діра масою близько чотирьох мільйонів Сонць може передавати частину своєї обертальної енергії безпосередньо протонам.

За оцінками авторів, ці частинки здатні досягати енергій у кілька петаелектронвольт (PeV) — це кілька квадрильйонів електронвольт. У такому разі Стрілець A* може бути кандидатом у так звані галактичні PeVatron-и — природні прискорювачі, що породжують найенергійніші космічні промені в нашій Галактиці.

Як чорна діра може віддавати власну енергію

Зазвичай найінтенсивніше випромінювання біля «активних» чорних дір походить не від самих дір, а від гарячої речовини в їхньому оточенні. Проте ще 1969 року фізик Роджер Пенроуз (Roger Penrose) запропонував механізм, за якого обертальна чорна діра може віддавати частину власної енергії. Цей механізм отримав назву процес Пенроуза.

Процес відбувається в ергосфері — області навколо обертової чорної діри, де її обертання настільки сильно «закручує» простір-час, що все змушене рухатися в напрямку обертання. Умовно чорну діру можна уявити як гігантський карусельний диск, який тягне за собою навколишній простір.

Якщо частинка потрапляє в ергосферу, за певних умов вона може розпастися на дві. Одна частина падає в чорну діру, а інша виривається назовні з більшою енергією, ніж мала початкова частинка. Додаткова енергія береться з обертання чорної діри — подібно до того, як об’єкт може отримати «поштовх» від обертової каруселі.

Посилений варіант цього механізму — магнітний процес Пенроуза (magnetic Penrose process, MPP) — залучає магнітні поля, які значно ефективніше перекачують обертальну енергію до заряджених частинок. Це дає змогу викидати їх у космос з надзвичайно високими енергіями.

Модель для Стрільця A*: нейтрони, розпад і протони PeV

У новому дослідженні вчені змоделювали поведінку нейтронів, що утворюються внаслідок ядерних реакцій у гарячому газі навколо Стрільця A*. Частина цих нейтронів може потрапляти в ергосферу й розпадатися там на протони, електрони та антинейтрино.

Отримані заряджені частинки взаємодіють із магнітним полем поблизу чорної діри. За розрахунками авторів, у рамках магнітного процесу Пенроуза протони можуть отримувати колосальні енергетичні «підсилення» та вириватися назовні з енергіями рівня PeV.

Дослідники зазначають, що їхні результати підсилюють інтерпретацію Sgr A* як кандидата в галактичний PeVatron — джерело надвисокоенергетичних космічних променів у центрі Чумацького Шляху.

Гамма-промені як слід прихованого механізму

Прискорені протони, залишаючи околиці чорної діри, мають рухатися назовні й стикатися з густими хмарами газу в Центральній молекулярній зоні навколо галактичного центру. Такі зіткнення можуть породжувати гамма-випромінювання та нейтрино — сигнали, які потенційно дозволяють виявити дію механізму.

Астрономи вже реєстрували гамма-промені дуже високих енергій із центру Галактики, але їхнє точне джерело залишається невизначеним. Відстежувати походження космічних променів складно, оскільки їхні заряджені частинки відхиляються магнітними полями. Натомість гамма-кванти не відчувають такого відхилення, тому краще вказують на області екстремального прискорення частинок.

Автори роботи розрахували, що магнітний процес Пенроуза має залишати характерні «відбитки» в енергетичному спектрі гамма-випромінювання й може робити внесок у випромінювання, уже зареєстроване обсерваторіями H.E.S.S. та HAWC.

Моделі дослідників передбачають сигнали в діапазоні чутливості майбутньої Південної широкопольної гамма-обсерваторії (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory, SWGO). Крім того, обсерваторія Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) може перевірити частину запропонованих сценаріїв.

За словами авторів, розрахунки свідчать, що SWGO має бути здатною перевірити всі варіанти, які вони розглядають. Якщо ці прогнози підтвердяться спостереженнями, Стрілець A* може виявитися ключовим джерелом найенергійніших космічних променів у нашій Галактиці — і прикладом того, як чорна діра буквально «жертвує» власною обертальною енергією, щоб живити потоки частинок.

Наука