银河系超大黑洞或耗散能量支持宇宙射线

在这一艺术家的构想中，银河系中心的黑洞被一圈高温的吸积物质盘环绕，蓝色线条描绘了磁场的分布。图片来源：M.Weiss哈佛史密松天体物理中心

银河系中心黑洞可能通过为逃逸粒子提供能量而损失质量，新的计算结果表明，天文学家可能以此过程进行检测。

银河系中心超大质量黑洞可能将粒子加速到远超地球最强粒子加速器的能量水平。一项新的理论研究指出，位于人马座A的黑洞——其质量约为太阳的400万倍——可通过将部分旋转能量直接传递给质子来实现这一过程。

研究人员估计，这些粒子的能量可能达到数拍电子伏特（PeV），相当于数千万亿电子伏特。这将使人马座A成为银河系中潜在的佩夫atron，一种能够产生银河系内部分最高能宇宙射线的天然粒子加速器。

黑洞如何驱动极端粒子加速

与活跃吸积物质的黑洞相关联的强烈辐射，主要源自其周围的物质，而非黑洞本身。然而，物理学家罗杰彭罗斯曾提出，旋转黑洞还可通过一种被称为彭罗斯过程的机制，释放出自身的一部分能量。

该过程运行于史瓦西外腔，该区域是黑洞旋转区域，其强烈旋转使得时空扭曲，所有物质必须沿黑洞自转方向运动。

黑洞被视为一个巨大的、高速旋转的旋转木马，将周围的时空一同带动。在某些条件下，进入该区域的粒子会分裂开来，其中一部分碎片落入黑洞，而另一部分则逃逸出去，携带来源粒子更多的能量。

黑洞的额外能量来源于其自身的旋转，如同旋转中的旋转木马能获得额外的推进力一样。更为强大的变体，即磁Penrose过程（MPP），利用磁场高效地将这种旋转能量转移给带电荷的粒子，从而可能将这些粒子发射至太空，产生极其高的能量。

衰变粒子从黑洞中提取能量的示意图。来源：Cermeño等人

在最新研究中，研究人员模拟了在银心周围热气中发生的核反应所产生的中子。其中有些中子可能进入施力范围，衰变为质子、电子和反中微子。resultingchargedparticles产生的带电粒子会与磁场相互作用，这可能会使质子以极大能量逃离。

我们的研究结果进一步支持了人马座A作为银河系内潜在的拍电子伏特加速源这一解释。

伽马射线能否揭示隐藏的过程？

这些加速的质子将向外传播，并与银河系中心附近的致密气体在中央分子区发生碰撞。此类碰撞可产生伽马射线和中微子，为该机制提供潜在的观测证据。

天文学家已经从银河中心探测到了高能伽马射线，但这些伽马射线的精确来源仍不明确。追踪宇宙射线的来源尤其困难，因为它们的电荷会使磁场弯曲其轨迹。相比之下，伽马射线不受磁场影响，因此成为寻找极端粒子加速区域的重要工具。

研究人员计算表明，磁彭罗斯过程可能在伽马射线能谱中产生独特特征，并有助于之前已被赫歇尔射电望远镜（H.E.S.S.）和哈威卡（HAWC）观测到的辐射。其模型预测的信号在计划建设的南方广域伽马射线观测站（SWGO）的预期灵敏度范围内，而氪昂托克射电阵列观测站（CTAO）可能能够测试部分情景。

我们的研究结果表明，SWGO应具备探测本项工作中所涉及的所有场景的能力。

多信使信号中的磁彭罗斯过程作者：玛丽娜塞尔梅诺、佩德罗德拉托雷卢克、克里斯蒂娜费尔南德斯苏亚雷斯、维维安娜加马尔迪、恩里克米埃尔阿隆索、玛丽亚J罗德里格斯、米格尔Á桑切斯孔德、豪梅祖里亚加普伊格 arXiv预印本，编号：2609.04051

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