银河系中心黑洞或正在消耗自身旋转能量 为宇宙射线提供动力

银河系中心隐藏着一个质量约为太阳400万倍的超大质量黑洞——人马座A*（Sagittarius A*）。它虽然距离地球约2.6万光年，目前整体活动相对平静，却可能拥有一种令人惊讶的能量释放方式：通过牺牲自身的旋转能量，将周围的粒子加速到极高能量，并为银河系中的部分宇宙射线提供动力。

2026年10月17日，SciTechDaily报道了一项关于这一机制的最新理论研究。研究人员提出，人马座A*可能通过一种名为“磁性彭罗斯过程”（Magnetic Penrose Process）的机制，将黑洞的旋转能量转移给质子，使这些粒子达到数拍电子伏特（PeV）的能量水平。研究结果进一步支持了人马座A*可能是银河系内天然超高能粒子加速器的假说。

这项研究于2026年9月2日以预印本形式发布，题为《人马座A*作为银河系拍电子伏特粒子加速器：磁性彭罗斯过程的多信使特征》。研究团队通过理论建模，分析了黑洞附近的粒子如何获得极高能量，以及这一过程可能留下哪些能够被天文观测识别的信号。目前，这仍然是一种有待观测检验的理论解释，并不意味着科学家已经确认银河系中心黑洞正在以这种方式加速宇宙射线。

宇宙射线是以极高速度穿行于宇宙空间的高能粒子，其中包括质子、原子核以及少量电子等。它们的能量范围极其广泛，部分宇宙射线所携带的能量远远超过人类现有粒子加速器能够达到的水平。科学家长期以来一直试图找出这些粒子的来源，以及自然界究竟通过什么机制将它们加速到如此惊人的能量。

在地球上，人类利用大型粒子加速器，通过电场逐步提高带电粒子的能量。但在宇宙中，超新星遗迹、脉冲星风以及黑洞周围的极端环境，都可能成为天然粒子加速器。银河系中心尤其受到关注，因为那里既有超大质量黑洞，也存在大量气体、强磁场和复杂的高能辐射环境。

研究人员估计，人马座A*附近的质子可能被加速到数拍电子伏特的能量。1拍电子伏特相当于1000万亿电子伏特，也就是10¹⁵电子伏特。这一能量水平远超大型强子对撞机中质子碰撞所达到的单个质子能量，因此，如果相关机制确实存在，人马座A*就可能成为银河系内重要的高能粒子来源之一。

这类能够将质子加速到拍电子伏特能量水平的天体，被称为“PeVatron”，即拍电子伏特级粒子加速器。天文学家已经在银河系中心观测到高能伽马射线，但这些辐射究竟来自黑洞附近的粒子加速过程，还是来自其他天体和更大范围的宇宙射线相互作用，目前仍存在争议。

通常情况下，黑洞周围明亮的辐射主要来自落入黑洞之前的物质。气体在黑洞引力作用下聚集、压缩和加热，形成高温吸积流或吸积盘，物质在最终越过事件视界之前释放出大量能量。

但黑洞本身并非只能吞噬能量。对于旋转黑洞而言，其自转所携带的能量也可以在特定条件下被提取出来。研究人员此次关注的，正是这种直接利用黑洞旋转能量的机制。

这一理论可以追溯到物理学家罗杰·彭罗斯在1969年提出的彭罗斯过程。根据广义相对论，旋转黑洞周围存在一个名为“能层”（ergosphere）的区域。在这里，黑洞的旋转会强烈拖曳周围的时空，使得物体无法相对于远处的观察者保持静止，而必须沿着黑洞旋转方向运动。

在特定条件下，如果粒子进入能层并发生适当的分裂过程，其中一部分可以携带负的相对于无穷远处定义的能量落入黑洞，另一部分则能够带着比原始粒子更多的能量逃离。逃逸粒子获得的额外能量，来自黑洞本身的旋转能量。

可以将其理解为，从一台高速旋转的机器中提取机械能：逃离的粒子获得了额外的能量，而黑洞的旋转能量则相应减少。这里所说的“消耗自身能量”，并不是黑洞像燃料一样发生燃烧，而是其自转能量被转移给了外部粒子。

研究人员进一步考虑了磁场在这一过程中的作用。磁性彭罗斯过程利用黑洞周围的磁场，改变带电粒子的运动和能量分配，使黑洞旋转能量能够更有效地转移给质子等带电粒子。

在这项研究提出的模型中，关键环节始于黑洞周围高温气体中的核反应。部分核反应能够产生中子，这些中子进入黑洞的能层后，可能发生放射性衰变，产生质子、电子和反中微子。

中子本身不带电，因此不会像质子那样直接受到磁场的洛伦兹力作用。但中子衰变后产生的质子带有电荷，能够与周围磁场发生相互作用。研究人员认为，在适当的条件下，这些质子可以从黑洞的旋转中获取能量，随后逃逸到更广阔的星际空间。

这套机制并不要求黑洞处于极其活跃的状态。人马座A*目前的吸积活动相对较弱，但它仍然具有巨大的质量和可能可观的旋转能量。只要周围环境具备合适的磁场、粒子产生条件和几何结构，就有可能发生能量提取过程。

不过，模型能否适用于真实的银河系中心，仍取决于多个尚未完全确定的参数，包括黑洞周围的磁场强度、粒子的产生速率、黑洞自转状态，以及高能粒子逃离过程中所受到的各种损失。

如果高能质子确实从黑洞附近逃逸，它们可能在向外传播的过程中与银河系中心的致密气体发生碰撞，进而产生高能伽马射线和中微子。这些次级粒子为科学家提供了检验理论的重要途径。

伽马射线是能量极高的电磁辐射，不带电，因此在穿过星际空间时不会像宇宙射线中的带电粒子那样被磁场大幅改变方向。它们的传播方向通常能够帮助天文学家追溯辐射的来源区域。相比之下，宇宙射线中的质子会受到星际磁场影响，轨迹可能发生明显弯曲，因此很难直接根据它们抵达地球的方向确定最初的加速地点。

研究团队计算了磁性彭罗斯过程可能产生的伽马射线能谱，并将模型结果与现有观测进行比较。研究人员认为，这一机制产生的辐射可能对高能伽马射线观测中的部分信号作出贡献，其中包括高能立体视野望远镜系统H.E.S.S.和高海拔水切伦科夫伽马射线观测站HAWC所探测到的辐射。

如果不同理论模型预测的能谱特征能够被更精确地测量，研究人员就有机会判断黑洞旋转能量提取机制是否真的在银河系中心发挥作用。

未来的观测设备可能成为检验这一理论的关键。研究团队指出，计划中的南半球广视场伽马射线观测站（SWGO）有望探测其模型所预测的相关信号，而切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO）也可能对部分理论情景进行检验。

SWGO计划利用大面积探测阵列持续监测高能伽马射线，尤其适合观测银河系中心等重要天区。与只能在有限时间内指向特定目标的望远镜相比，广视场观测设备能够更长时间地监测天空中的高能辐射变化，从而帮助研究人员研究持续存在的粒子加速过程。

不过，单独发现高能伽马射线并不足以证明磁性彭罗斯过程存在。银河系中心的环境极为复杂，那里不仅有超大质量黑洞，还有大量恒星、致密气体云、其他潜在的高能粒子加速源，以及范围广泛的弥散辐射。不同机制可能产生相似的观测信号。

因此，科学家需要将伽马射线与其他类型的观测结合起来，尤其是中微子信号。高能质子与气体发生碰撞时，除了能够产生伽马射线，也可能产生中微子。中微子与物质的相互作用极其微弱，能够从致密天体环境中逃逸，为研究人员提供有关粒子加速过程的另一条线索。

但目前，银河系中心的中微子观测还没有给出足以确定相关机制的结果。2026年9月，IceCube中微子观测站与HAWC合作公布的一项分析没有发现显著的银河系中心中微子信号，并对相关辐射强度设定了新的限制。研究人员指出，未来更灵敏的IceCube-Gen2、KM3NeT和P-ONE等中微子观测设施，可能帮助科学家进一步判断银河系中心的高能伽马射线是否主要来自质子与气体的相互作用。

这一背景也说明，黑洞能量提取机制虽然具有明确的理论基础，但要将其与实际观测联系起来，仍需要更丰富、更精确的数据。研究人员必须排除其他可能的高能辐射来源，并验证理论所预测的能谱特征是否确实存在。

这项研究的意义，在于它为银河系中心的高能宇宙射线来源提供了一种可以进一步检验的解释。传统上，科学家通常关注超新星爆发、激波和磁场如何加速宇宙射线；而磁性彭罗斯过程则把注意力转向黑洞自身的旋转能量，说明黑洞即使处于相对平静的状态，也可能通过特殊的物理机制向外部粒子输送能量。

如果未来观测证实这一过程确实发生，人马座A*就不仅是银河系中心一个质量巨大的引力源，还可能是影响银河系高能粒子环境的重要动力来源。这也将帮助科学家进一步理解，超大质量黑洞如何通过能量释放影响周围气体、辐射环境以及整个星系中心区域的演化。

目前，研究人员提出的仍是一种理论模型，而不是已经得到直接确认的黑洞能量提取过程。未来SWGO、CTAO及新一代中微子观测设备的观测结果，将有助于判断这些预测是否符合真实宇宙的表现。对于人类而言，银河系中心的黑洞仍然隐藏着许多未解之谜，而宇宙射线可能成为揭示其能量运作方式的重要线索。