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一个粒子靠近黑洞，最后却带着更多能量飞走，多出来的那份由黑洞自己的自转来付。9月发布的一项理论研究，把这笔能量交换算到了银河系中心：人马座A*可能正在给高能宇宙射线供能。这仍是模型提出的解释，关键是能否找到它留下的信号。
原报道采用的艺术示意图：黑洞周围环绕热气体，蓝线描绘磁场。画面不代表已经观测到人马座A*以这种方式取能。图：M. Weiss / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics。
人马座A*的质量约为太阳的400万倍。研究者关心的，是它能否把一些质子推到PeV量级——单个粒子的能量达到千万亿电子伏量级。
这里的“宇宙射线”主要指高速粒子，包括质子和原子核。银河系里究竟有哪些天然加速器，能把粒子推到这样的能量，一直是高能天文学要追查的问题。
粒子赚走的，是黑洞的自转能
黑洞周围的气体下落、加热，本来就能释放巨大能量。这次模型想动用的，是黑洞自身的旋转。
1969年，彭罗斯提出过一种取能思路：旋转黑洞会拖拽附近的时空，在事件视界外形成一片叫“能层”的区域。在特定条件下，粒子在这里分裂，一个产物按特殊路径落入黑洞，另一个产物便能带着额外能量逃走，代价从黑洞的自转里扣除。
关键在位置。能层处于事件视界之外，粒子仍有逃走的可能；已经越过视界的东西，依然回不来。
新研究加入了磁场。团队计算了黑洞周围高温气体通过核反应产生的中子，追踪其中哪些能进入能层。中子在这里衰变，产生质子、电子和反中微子；在模型设定的电磁场中，可以出现电子被黑洞捕获、质子获得高能并逃出的结果。这叫磁彭罗斯过程。
原报道中的模型图：黑点n是中子，红色p⁺是逃出的质子，青色e⁻是落入黑洞的电子；橙线为事件视界，外侧紫色区域为能层。它展示理论路径，不是粒子运动实拍。图：Cermeño等。
粒子会拐弯，线索得换一种找法
即使质子真的从那里飞了出来，也很难把它的来路直接倒着画回去。它带电，穿行银河系时会受磁场影响，方向不断改变，抵达探测器时未必还指向起点。
周围的气体却可能替它留下线索。高能质子撞上银河系中心分子云里的气体，可以产生伽马射线和中微子。伽马射线不带电，不会像质子那样被磁场拐弯，更有利于追查发生碰撞的区域。
H.E.S.S.等观测设备早已在银河系中心发现甚高能伽马射线，并由此推断那里存在强大的粒子加速活动。难点是把“这里有高能粒子”进一步追到“这些能量究竟怎么来的”。单有伽马射线，还不能认定黑洞正在通过磁彭罗斯过程付账。
我们也已获得黑洞附近磁场的观测线索。2024年公布的人马座A*偏振图，让研究者能从光的偏振信息中研究那里的磁场结构。
2024年公布的人马座A*偏振图。叠加线条表示偏振方向，与磁场结构有关；这幅观测图本身没有证明磁彭罗斯过程。图：EHT Collaboration，经ESO发布，CC BY 4.0。
新论文继续算的是：按这套机制加速的质子，可能留下怎样的伽马射线能谱，也就是不同能量的光子各有多少。模型预测的信号低于目前观测到的总量，有可能贡献其中一部分；以后若测到相应的谱形特征，就能进一步检验这笔能量交换。
研究者将预测与SWGO等观测设施的预期灵敏度作了比较，认为存在检验机会。不过结果依赖黑洞的自转、磁场强度、粒子衰变位置，以及粒子怎样穿过周围环境。换一组条件，最终能量和信号强度都可能改变。
这笔能量能否从黑洞的自转里拿出来，理论模型已经列出了一种可能。它是否正在银河系中心发生，接下来要靠观测去查这笔账。
黑洞也可能被取走自转能，这和你原来想象的黑洞一样吗？
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