MIT: Колебания Марса могут быть признаком темной материи

Если тёмная материя состоит из микроскопических первозданных чёрных дыр, то такие гравитационные карлики должны пролетать через Солнечную систему раз в десятилетие, предполагают физики из Массачусетского технологического института.

По мнению исследователей, это может вызвать колебания в орбите Марса, которые можно будет обнаружить современными технологиями.

Если колебания обнаружат, то это подтвердит гипотезу о том, что первозданные чёрные дыры — основной источник тёмной материи во Вселенной.

Благодаря точной телеметрии, учёные знают расстояние между Землёй и Марсом с точностью около 10 сантиметров. Об этом говорит автор исследования Дэвид Кайзер — профессор физики и истории науки в Массачусетском технологическом институте.

У нас есть возможность исследовать эту область космоса, чтобы попытаться найти небольшой эффект. Если мы его увидим, это будет поводом продолжить исследование восхитительной идеи о том, что вся тёмная материя состоит из чёрных дыр, которые возникли после Большого взрыва и перемещаются по Вселенной уже 14 миллиардов лет.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review D.

За пределами частиц

Менее 20% физической материи — это видимые частицы: от звёзд и планет до кухонной раковины. Остальная часть — тёмная материя, гипотетическая форма материи, которая невидима во всём электромагнитном спектре, но пронизывает Вселенную и обладает гравитационной силой, влияющей на движение звёзд и галактик.

Физики установили детекторы на Земле, чтобы попытаться обнаружить тёмную материю и определить её свойства. Предполагается, что тёмная материя существует в виде экзотической частицы, которая может рассеиваться и распадаться на наблюдаемые частицы при прохождении через эксперимент. Но поиски частиц пока не увенчались успехом.

В последние годы появилась идея о том, что тёмная материя может существовать в виде микроскопических первозданных чёрных дыр. Они образовались в первые мгновения после Большого взрыва из плотных скоплений газа. По мере расширения и остывания Вселенной эти чёрные дыры рассеялись по космосу.

Большинство таких чёрных дыр размером с атом могут быть тяжёлыми, как астероиды. Возможно, именно они оказывают гравитационное воздействие, которое объясняет часть тёмной материи. Эта идея сначала казалась несерьёзной.

Тунг вспоминает, как словно бы кто-то спросил его, что будет, если первобытная чёрная дыра пройдёт через человеческое тело. Он провёл быстрый расчёт и выяснил, что если такая чёрная дыра проскочит в метре от человека, то сила чёрной дыры отбросит его на 6 метров за секунду.

Тунг также обнаружил, что вероятность того, что первобытная чёрная дыра окажется рядом с человеком на Земле, очень мала. Исследователи заинтересовались и оценили, как пролёт чёрной дыры может повлиять на более крупные тела, такие как Земля и Луна.

Мы рассчитали, что произойдёт, если чёрная дыра пролетит мимо Земли и вызовет небольшое колебание Луны, — говорит Тунг.

Полученные цифры были не очень понятны. В Солнечной системе существует множество других динамических процессов, которые могут действовать как своего рода трение, вызывая затухание колебаний.

Близкие столкновения

Чтобы лучше понять ситуацию, команда создала простую модель Солнечной системы. В ней учтены орбиты и гравитационные взаимодействия между всеми планетами и некоторыми крупными лунами.

Леманн отмечает, что в современных моделях Солнечной системы более миллиона объектов, но даже при моделировании двух десятков объектов в детальной симуляции мы увидели эффект, который можно изучить.

Команда вычислила скорость, с которой первобытная чёрная дыра проходит через Солнечную систему. Для этого они учли количество тёмной материи в данном регионе пространства и массу чёрной дыры. Предполагается, что она будет такой же массивной, как самые крупные астероиды Солнечной системы. Это согласуется с другими астрофизическими ограничениями.

Соавтор исследования Сара Геллер отмечает, что первобытные чёрные дыры обычно не находятся в Солнечной системе, а движутся по Вселенной. Вероятность того, что они проходят через внутреннюю Солнечную систему под некоторым углом, составляет примерно 10 лет.

Исследователи смоделировали чёрные дыры с массой астероида, пролетающие через Солнечную систему под разными углами и со скоростью около 150 миль в секунду. Они выбрали те пролёты, которые казались «близкими встречами» или вызывали эффект в окружающих объектах.

Однако они не смогли связать какой-либо эффект на Земле или Луне с конкретной чёрной дырой. В то же время Марс, похоже, даёт более чёткую картину.

Исследователи выяснили, что если чёрная дыра пролетит на расстоянии нескольких сотен миллионов миль от Марса, то это может вызвать небольшое отклонение его орбиты.

После такого столкновения орбита Марса сместится примерно на метр. Это очень маленькое колебание, но современные высокоточные приборы смогут его засечь.

Если такое колебание обнаружат в ближайшие десятилетия, учёным предстоит ещё много работы, чтобы подтвердить, что его вызвала именно чёрная дыра, а не обычный астероид.

Кайзер отмечает, что нам нужно больше ясности о том, какие скорости и траектории у космических камней. К счастью, астрономы десятилетиями отслеживали обычные космические камни, поэтому мы можем сравнить их с траекториями и скоростями первобытных чёрных дыр.

Исследователи рассматривают возможность сотрудничества с группой, которая имеет большой опыт моделирования объектов в Солнечной системе.

Мы моделируем движение множества объектов — от планет до лун и камней — в больших временных масштабах, — говорит Геллер.

Мы хотим точнее изучить последствия возможных столкновений этих объектов.

17.09.2024