На изображении художника первичная черная дыра (слева) пролетает мимо орбиты Марса (справа), на короткое время заставляя ее колебаться на фоне Солнца. Ученые из Массачусетского технологического института говорят, что такое колебание можно обнаружить с помощью современных инструментов. Фото предоставлено: Бенджамин Леманн, через SpaceEngine @ Cosmographic Software LLC.
В новом исследовании физики Массачусетского технологического института предполагают, что, если большая часть темной материи во Вселенной состоит из микроскопических первичных черных дыр (идея, впервые высказанная в 1970-х годах), этим гравитационным карликам, проходящим через нашу Солнечную систему хотя бы раз в десятилетие, придется соревноваться. . По прогнозам исследователей, такой пролет вызовет колебание орбиты Марса в масштабе, который можно было бы обнаружить с помощью современных технологий.
Такое открытие могло бы поддержать теорию о том, что первичные черные дыры являются основным источником темной материи во Вселенной.
«Благодаря десятилетиям точной телеметрии ученые знают расстояние между Землей и Марсом с точностью до 10 сантиметров», — говорит автор исследования Дэвид Кайзер, профессор физики и профессор истории науки Гермесхаузена в Массачусетском технологическом институте.
«Мы используем эту область космоса, оснащенную инструментами, для поиска небольшого эффекта. Если мы его увидим, это станет реальной причиной для реализации этой замечательной идеи о том, что вся темная материя состоит из черных дыр, которые находятся в меньшей степени». были созданы менее чем через секунду после Большого взрыва и текут по Вселенной уже 14 миллиардов лет».
Кайзер и его коллеги сообщают о своих выводах в журнале Physical Review D. Соавторами исследования являются ведущий автор Тунг Тран, в настоящее время обучающийся в Стэнфордском университете; Сара Геллер, доктор философии, которая в настоящее время является научным сотрудником Калифорнийского университета в Санта-Крус; и научный сотрудник Массачусетского технологического института Паппалардо Бенджамин Леманн.
Больше, чем просто частицы
Менее 20% всей физической материи состоит из видимого материала: от звезд и планет до кухонной раковины. Остальное состоит из темной материи, гипотетической формы материи, которая невидима в электромагнитном спектре, но, как полагают, пронизывает Вселенную и оказывает достаточно большую гравитационную силу, чтобы контролировать движение звезд и влияние галактик.
Физики установили на Земле детекторы, чтобы попытаться обнаружить темную материю и определить ее свойства. Эти эксперименты в основном предполагают, что темная материя существует как тип экзотической частицы, которая может рассеиваться и распадаться на наблюдаемые частицы по мере прохождения определенного эксперимента. Однако до сих пор такие поиски на основе частиц оставались безрезультатными.
В последние годы вновь обрела популярность другая возможность, впервые предложенная в 1970-х годах: вместо того, чтобы принимать форму частиц, темная материя могла бы существовать в форме микроскопических первичных черных дыр, которые расширяются в первые мгновения, образовавшиеся перед Большим взрывом.
В отличие от астрофизических черных дыр, которые образуются при коллапсе древних звезд, первичные черные дыры образовались в результате коллапса пузырей плотного газа в ранней Вселенной и распространились по космосу по мере расширения и охлаждения Вселенной.
Эти первичные черные дыры сжали бы огромную массу в крошечное пространство. Большинство этих первичных черных дыр могут быть размером с один атом и такими же тяжелыми, как самые большие астероиды. Поэтому вполне возможно, что такие крошечные гиганты могут создавать гравитационную силу, которая могла бы объяснить, по крайней мере, часть темной материи. Для команды MIT эта возможность поставила вопрос, который изначально не предполагалось воспринимать всерьез.
«Я думаю, кто-то спросил меня, что произойдет, если первичная черная дыра проникнет в человеческое тело», — вспоминает Тунг. Он быстро подсчитал с помощью карандаша и бумаги, что сила такой черной дыры, пролетающей мимо человека на расстоянии одного метра, оттолкнет этого человека на шесть метров за одну секунду. Тунг также обнаружил, что вероятность того, что первичная черная дыра приблизится к человеку на Земле, астрономически мала.
Исследователи были настолько заинтересованы, что пошли еще дальше в расчетах Танга, чтобы оценить, как пролет черной дыры может повлиять на гораздо более крупные тела, такие как Земля и Луна.
«Мы экстраполировали, чтобы увидеть, что произойдет, если черная дыра пролетит мимо Земли и заставит Луну немного покачиваться», — говорит Тунг. «Цифры, которые мы получили, были не очень ясными. В Солнечной системе есть много других динамик, которые могут действовать как своего рода трение и ослаблять колебание».
Близкие контакты
Чтобы получить более четкую картину, команда создала относительно простую модель Солнечной системы, которая учитывает орбиты и гравитационные взаимодействия между всеми планетами и некоторыми из крупнейших спутников.
«Современные модели Солнечной системы включают более миллиона объектов, каждый из которых имеет крошечный остаточный эффект», — отмечает Леманн. «Но даже тщательно смоделировав два десятка объектов, мы смогли увидеть, что существует реальный эффект, который мы можем изучить».
Команда рассчитала скорость, с которой первичная черная дыра должна пересечь Солнечную систему. Это было сделано на основе оценки количества темной материи, присутствующей в данной области пространства, и массы пролетающей черной дыры. В этом случае они предположили, что он был таким же массивным, как самые большие астероиды в Солнечной системе, что согласуется с другими астрофизическими ограничениями.
«Первичные черные дыры не существуют в Солнечной системе. Скорее, они текут через Вселенную и делают свое дело», — говорит соавтор Сара Геллер. «И есть большая вероятность, что они будут проходить через внутреннюю часть Солнечной системы под каким-то углом примерно каждые 10 лет».
С такой скоростью исследователи смоделировали различные черные дыры астероидной массы, пролетающие через Солнечную систему под разными углами и со скоростью около 240 километров в секунду. (Направления и скорости взяты из других исследований распределения темной материи в нашей галактике.)
Они сосредоточились на тех пролетах, которые выглядели как «близкие встречи» или события, которые каким-то образом повлияли на окружающие объекты. Они быстро поняли, что какой-либо эффект на Земле или Луне слишком неопределенен, чтобы его можно было приписать какой-то конкретной черной дыре. Но Марс, казалось, давал более ясную картину.
Исследователи обнаружили, что первичная черная дыра, проходящая мимо Марса на расстоянии нескольких сотен миллионов миль, может вызвать «колебание» или небольшое отклонение орбиты Марса. В течение нескольких лет после такого столкновения орбита Марса должна сместиться примерно на метр — невероятно небольшое колебание, учитывая, что планета находится на расстоянии более 140 миллионов миль (225 миллионов километров) от Земли. И все же это колебание можно обнаружить с помощью различных высокоточных инструментов, контролирующих Марс сегодня.
Даже если такое колебание будет обнаружено в ближайшие несколько десятилетий, исследователи говорят, что потребуется еще много работы, чтобы подтвердить, что удар произошел от проходящей мимо черной дыры, а не от обычного астероида.
«Нам необходимо как можно точнее знать, какие фоны следует ожидать, например, типичные скорости и распределение бурящих космических камней по сравнению с этими первичными черными дырами», — отмечает Кайзер.
«К счастью, астрономы десятилетиями отслеживали обычные космические камни, путешествующие по нашей Солнечной системе. Это позволило нам вычислить типичные свойства их траекторий и начать сравнивать их с совершенно разными типами путей и скоростей, которым должны были следовать оригинальные черные дыры».
Чтобы поддержать это, исследователи изучают возможность нового сотрудничества с группой, имеющей большой опыт моделирования многих других объектов Солнечной системы.
«В настоящее время мы работаем над моделированием большого количества объектов, от планет до спутников и камней, и над тем, как все они движутся в течение длительных периодов времени», — говорит Геллер. «Мы хотим включить сценарии близкого столкновения и изучить их последствия с большей точностью».
«Они предложили очень сложный тест, который мог бы сказать нам, находится ли ближайшая черная дыра ближе, чем мы думаем», — говорит Мэтт Каплан, доцент физики Университета штата Иллинойс, не принимавший участия в исследовании.
«Я хотел бы подчеркнуть, что здесь также присутствует доля удачи. Найдет ли поиск громкий и четкий сигнал, зависит от точного маршрута, по которому путешествующая черная дыра проходит через Солнечную систему. Теперь, когда у вас есть эта теория с После того, как вы проверили моделирование, вам нужно сделать самую сложную часть — проверку реальных данных».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
