Согласно новому исследованию, если микроскопические черные дыры, родившиеся через долю секунды после Большого взрыва, существуют, как предполагают некоторые исследователи, то по крайней мере одна из них может пролетать через Солнечную систему за десятилетие, создавая крошечные гравитационные искажения, которые ученые могут обнаружить. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review D.
Эти результаты свидетельствуют о том, что если астрономы смогут обнаружить и подтвердить существование таких гравитационных нарушений, они смогут разгадать тайну природы темной материи — невидимого материала, который, по мнению многих исследователей, составляет около пяти шестых всей материи в космосе.
Многие исследователи предполагают, что темная материя может состоять из неизвестных частиц, но ни один эксперимент до сих пор не обнаружил новых частиц, которые могли бы быть темной материей. Таким образом, одной из альтернатив, которую ученые изучают для объяснения темной материи, являются так называемые первичные черные дыры, которые существуют с незапамятных времен.
Предыдущие исследования показывают, что около 86% материи во Вселенной состоит из по сути невидимой субстанции, называемой темной материей. Ученые делают вывод о существовании темной материи из ее гравитационного воздействия на повседневную материю и свет, но в настоящее время остается неясным, из чего она может состоять.
Черные дыры получили свое название из-за их огромного гравитационного притяжения, которое настолько сильно, что даже свет не может вырваться. Если черная дыра не выдает своего существования — например, разрывая звезду — она может остаться незамеченной на фоне черноты космоса.
За десятилетия астрономы обнаружили множество черных дыр, от черных дыр звездной массы, обычно примерно в пять-десять раз превышающих массу Солнца, до сверхмассивных черных дыр размером в миллионы-миллиарды солнечных масс. Напротив, в новом исследовании изучались первичные черные дыры , которые, как показывают предыдущие исследования, могут иметь массу всего лишь около массы типичного астероида — то есть около 110-110 миллионов миллиардов тонн (100-100 миллионов миллиардов метрических тонн).
«Черные дыры, которые мы рассматриваем в нашей работе, по крайней мере в 10 миллиардов раз легче Солнца и едва ли больше по размеру атома водорода», — рассказала соавтор исследования Сара Геллер из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
Черные дыры возникают, когда объект настолько плотный, что он коллапсирует под действием собственной гравитации. Предыдущие исследования показывают, что вскоре после Большого взрыва, до того, как Вселенная значительно расширилась в размерах, случайные колебания плотности материи в новорожденном космосе привели к тому, что некоторые сгустки стали достаточно плотными, чтобы образовать черные дыры.
Предыдущие исследования предполагали, что первичные черные дыры, сохранившиеся до наших дней, могли составлять большую часть или всю темную материю. Основываясь на этой работе, новое исследование рассмотрело, как часто первичные черные дыры могут пролетать через Солнечную систему , и могут ли они производить эффекты, которые ученые могли бы обнаружить на видимых объектах.
«Если в мире много черных дыр, некоторые из них наверняка время от времени пролетают мимо нас», — сказала Геллер.
Первоначально исследователи «думали о том, что может произойти, если черная дыра пробьет земную кору, или пройдет через нашу атмосферу, или оставит кратер на Луне», — сказала Геллер. «Мы даже спрашивали себя, что произойдет, если одна из этих крошечных черных дыр попадет в человека».
Однако «каждая из этих идей столкнулась с одной и той же проблемой», — пояснила Геллер. «Человек, Луна или даже Земля — очень маленькая цель в необъятном космосе, и вероятность того, что черная дыра когда-либо поразит их напрямую, ничтожно мала».
Вместо этого «нам нужна была система, достаточно большая для того, чтобы черные дыры могли регулярно проходить мимо, но достаточно точно измеренная, чтобы мы могли увидеть какой-то эффект», — сказала Геллер. «Вот тогда мы и начали думать о очень точно измеренных орбитах объектов в Солнечной системе». В принципе, гравитационное притяжение первичной черной дыры «могло бы вызывать колебания орбит объектов в Солнечной системе, которые были бы достаточно большими для того, чтобы мы могли их измерить».
Ученые в конечном итоге сосредоточились на первичных черных дырах, пролетающих вблизи внутренних планет Солнечной системы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Они обнаружили, что если первичные черные дыры существуют, их может быть достаточно много, чтобы по крайней мере одна пролетала мимо внутренних миров раз в десятилетие. Они добавили, что несколько пролетов могли уже произойти, поскольку появились технологии, способные обнаруживать такие возмущения.
Геллер предупредил, что «мы не делаем ни одного из следующих утверждений — что первичные черные дыры определенно существуют, что они составляют большую часть или всю темную материю; или что они определенно находятся здесь, в нашей солнечной системе». Вместо этого они говорят, что если первичные черные дыры существуют и составляют большую часть темной материи, «тогда они должны проходить через внутреннюю часть солнечной системы каждые один-десять лет».
Ученые также отметили, что их выводы основаны на относительно простом компьютерном моделировании, которое не обладает точностью, необходимой для анализа реальных данных, касающихся внутренних орбит Солнечной системы.
«Чтобы сделать окончательные заявления, нам нужно будет работать с коллегами, которые специализируются на моделировании солнечной системы с гораздо более сложными вычислительными методами», — сказал соавтор исследования Бенджамин Леманн из Массачусетского технологического института. Он добавил, что им также нужно определить, как выяснить, что может быть реальным сигналом первичной черной дыры, а что может просто попасть в диапазон погрешности, ожидаемой от любого измерения.
Ученые сейчас обсуждают возможность сотрудничества с группой моделирования солнечной системы в Парижской обсерватории для анализа существующих орбитальных данных. «Они являются одними из ведущих экспертов по сложным методам моделирования, которые потребуются для того, чтобы сделать этот анализ реальностью», — сказал Леманн. «Как только мы разработаем полную модель, которую можно будет использовать для поиска в реальных данных, нам придется исследовать, какие последующие наблюдения будут наиболее подходящими для любого сигнала, который мы можем зарегистрировать».
Этот подход поиска первичных черных дыр через их гравитационные эффекты «не полностью достаточен для различения первичной черной дыры и какого-то другого необычного объекта схожей массы», предупредила Геллер. Она отметила, что если эта стратегия действительно обнаружит потенциальную первичную черную дыру, «мы можем запустить последующие наблюдения, чтобы исключить другие возможности. Астрономы на самом деле удивительно хороши в поиске даже гораздо более легких объектов в нашей солнечной системе, таких как небольшие астероиды, тогда как прямое наблюдение небольшой черной дыры с помощью телескопа, скорее всего, вообще ничего не покажет».
