宇宙射线是高速移动的带电粒子。由于产生它们需要巨大的能量，因此它们常常充当宇宙信使，揭示产生它们的极端环境（例如超大质量黑洞）的线索。在地球上，科学家们使用粒子加速器来产生和研究高速移动的粒子，但大自然却不需要任何这种装置。现在，能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员发现了一种可能解释大自然自身粒子加速器机制的原理：当超大质量黑洞周围物质中的磁场缠绕在一起时，它们可以产生将宇宙射线向宇宙传播的条件。
超大质量黑洞经常从其视界 appena 喷射出炽热的等离子体喷流。（等离子体是一种物质状态，其中失去电子的电离原子和失去的电子共存。）在他们于12月14日发表在《物理评论快报》上的研究中，研究团队使用 Argonne国家实验室 Argonne领导计算设施的Mira超级计算机创建了一个微型喷流。他们创建的微型喷流仅包含5500亿个粒子，但基于其行为，该团队将其放大到真实比例，并将他们的模拟与天文观测进行了比较。
天然粒子加速器
这些模拟显示，当喷流从黑洞周围被发射出来时，由黑洞本身产生的磁场——位于核心的旋转黑洞所产生——在喷流内部会发生扭曲和缠绕。“我们知道这些磁场可能会变得不稳定，”该论文的首席作者Paulo Alves在新闻稿中说。“但当磁场发生畸变时究竟会发生什么？这种过程能否解释粒子在这些喷流中获得巨大能量的机制？这就是我们在研究中想要找出答案的。”
该团队发现，事实上，畸变的磁场确实可以赋予喷流中的粒子高能量。随着磁场线的扭曲越来越紧，它们会在喷流内部产生强大的电场。喷流内部的粒子然后受到磁场和电场的共同作用而被加速，根据该团队的计算，这为质子提供了足够的能量，使其能够作为宇宙射线逃离喷流。
“根据我们的模拟，我们可以提出一种新的机制，它有可能解释这些宇宙粒子加速器是如何工作的，”SLAC的科学家 Frederico Fiúza，该研究的首席研究员说。
“这项细致的分析揭示了在远处喷流中可能存在的条件下发生的许多令人惊讶的细节，并可能有助于解释一些显著的天文观测结果，”前SLAC/斯坦福大学Kavli粒子天体物理学和宇宙学研究所所长Roger Blandford补充道，尽管他并未参与此项研究。
基于这些结果，该团队现在计划深入研究宇宙喷流的工作原理，更仔细地观察它们的行为，以确定他们提出的机制是否成立。该团队还计划进行实验室实验，以确定该机制的运作方式——至少是在地球上的实验室。
