В новом исследовании физики Массачусетского технологического института предполагают, что если большая часть темной материи во Вселенной состоит из микроскопических первичных черных дыр — идея, впервые предложенная в 1970-х годах — то эти гравитационные карлики должны пролетать через нашу Солнечную систему по крайней мере раз в десятилетие. По прогнозам исследователей, такой пролет приведет к колебанию орбиты Марса, до такой степени, что современные технологии смогут его обнаружить.
Такое обнаружение может подтвердить идею о том, что первичные черные дыры являются основным источником темной материи во всей Вселенной. Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.
«Благодаря десятилетиям точной телеметрии ученые знают расстояние между Землей и Марсом с точностью около 10 сантиметров», — говорит автор исследования Дэвид Кайзер, профессор физики и профессор истории науки имени Гермесхаузена в Массачусетском технологическом институте. «Мы используем эту хорошо оснащенную приборами область пространства, чтобы попытаться обнаружить небольшой эффект. Если мы его увидим, это будет считаться реальной причиной продолжать следовать этой восхитительной идее о том, что вся темная материя состоит из черных дыр, которые были созданы менее чем за секунду после Большого взрыва и движутся по Вселенной уже 14 миллиардов лет».
Менее 20% всей физической материи состоит из видимых веществ, от звезд и планет до кухонной раковины. Остальное состоит из темной материи, гипотетической формы материи, которая невидима во всем электромагнитном спектре, но, как считается, пронизывает вселенную и оказывает гравитационное воздействие, достаточно большое, чтобы влиять на движение звезд и галактик.
Физики установили на Земле детекторы, чтобы попытаться обнаружить темную материю и определить ее свойства. По большей части эти эксперименты предполагают, что темная материя существует как форма экзотической частицы, которая может рассеиваться и распадаться на наблюдаемые частицы, проходя через данный эксперимент. Но до сих пор такие поиски на основе частиц не увенчались успехом.
В последние годы вновь обрела популярность еще одна возможность, впервые предложенная в 1970-х годах: вместо того, чтобы принимать форму частиц, темная материя может существовать в виде микроскопических первичных черных дыр, которые образовались в первые мгновения после Большого взрыва.
В отличие от астрофизических черных дыр, которые образуются в результате коллапса старых звезд, первичные черные дыры могли образоваться в результате коллапса плотных скоплений газа в очень ранней Вселенной и рассеяться по космосу по мере ее расширения и остывания.
Эти первичные черные дыры могли бы сжать огромное количество массы в крошечное пространство. Большинство этих первичных черных дыр могли быть размером с один атом и тяжелыми как самые большие астероиды. Тогда было бы возможно, что такие крошечные гиганты могли бы оказывать гравитационное воздействие, которое могло бы объяснить по крайней мере часть темной материи. Для команды MIT эта возможность вызвала изначально легкомысленный вопрос.
«Кажется, кто-то спросил меня, что произойдет, если первичная черная дыра пройдет сквозь человеческое тело», — вспоминает соавтор исследования Танг. Он также обнаружил, что вероятность того, что первичная черная дыра пройдет где-либо рядом с человеком на Земле, астрономически мала.
Их интерес возрос, и исследователи пошли дальше в расчетах Туна, чтобы оценить, как пролет черной дыры может повлиять на гораздо более крупные тела, такие как Земля и Луна.
«Мы провели экстраполяцию, чтобы увидеть, что произойдет, если черная дыра пролетит мимо Земли и заставит Луну немного покачнуться», — говорит Танг. «Числа, которые мы получили, были не очень четкими. В солнечной системе есть много других динамических процессов, которые могут действовать как своего рода трение, чтобы заставить колебание затухнуть».
Чтобы получить более ясную картину, команда создала относительно простую модель Солнечной системы, которая включает орбиты и гравитационное взаимодействие между всеми планетами и некоторыми из крупнейших лун.
«Современные симуляции солнечной системы включают более миллиона объектов, каждый из которых имеет крошечный остаточный эффект», — отмечает соавтор исследования Леманн. «Но даже смоделировав два десятка объектов в тщательной симуляции, мы увидели, что существует реальный эффект, в котором мы могли бы разобраться».
Команда рассчитала скорость, с которой первичная черная дыра должна проходить через Солнечную систему, на основе количества темной материи, которая, по оценкам, находится в данной области пространства, и массы проходящей черной дыры, которая в данном случае, как они предположили, должна быть такой же массивной, как самые крупные астероиды в Солнечной системе, что согласуется с другими астрофизическими ограничениями.
«Первичные черные дыры не живут в Солнечной системе. Скорее, они струятся сквозь Вселенную, занимаясь своими делами», — говорит соавтор исследования Сара Геллер. «И есть вероятность, что они проходят сквозь внутреннюю часть Солнечной системы под каким-то углом примерно раз в 10 лет».
Учитывая эту скорость, исследователи смоделировали различные черные дыры астероидной массы, пролетающие через Солнечную систему под разными углами и со скоростью около 150 миль в секунду. (Направления и скорости взяты из других исследований распределения темной материи в нашей галактике.)
Они сосредоточились на тех пролетах, которые казались «близкими контактами», или случаях, которые вызывали какой-то эффект на окружающих объектах. Они быстро обнаружили, что любой эффект на Земле или Луне был слишком неопределенным, чтобы привязать его к конкретной черной дыре. Но Марс, казалось, предлагал более ясную картину.
Исследователи обнаружили, что если первичная черная дыра пройдет в нескольких сотнях миллионов миль от Марса, то эта встреча вызовет «колебание» или небольшое отклонение орбиты Марса. В течение нескольких лет после такой встречи орбита Марса должна сместиться примерно на метр — невероятно небольшое колебание, учитывая, что планета находится в десятках миллионов километров от Земли. И все же это колебание может быть обнаружено различными высокоточными приборами, которые сегодня отслеживают Марс.
Исследователи признают, что если такое колебание будет обнаружено в ближайшие пару десятилетий, то потребуется еще много работы, чтобы подтвердить, что толчок был вызван пролетающей черной дырой, а не обычным астероидом.
«Нам нужно как можно больше ясности относительно ожидаемых фоновых данных, таких как типичные скорости и распределения буровых космических камней по сравнению с этими первичными черными дырами», — отмечает Кайзер. «К счастью для нас, астрономы десятилетиями отслеживали обычные космические камни, пролетающие через нашу Солнечную систему, поэтому мы смогли рассчитать типичные свойства их траекторий и начать сравнивать их с совершенно разными типами путей и скоростей, по которым должны двигаться первичные черные дыры».
Чтобы помочь в этом, исследователи изучают возможность нового сотрудничества с группой, имеющей обширный опыт моделирования гораздо большего количества объектов в Солнечной системе.
«Сейчас мы работаем над моделированием огромного количества объектов, от планет до лун и камней, и того, как они все движутся в течение длительного времени», — говорит Геллер. «Мы хотим ввести сценарии близкого контакта и изучить их эффекты с более высокой точностью».
