24.09.2024. - Колебание Марса - признак присутствия темной материи

Колебание Марса - признак присутствия темной материи

В новом исследовании физики Массачусетского технологического института предполагают, что если большая часть темной материи во Вселенной состоит из микроскопических первичных черных дыр — идея, впервые выдвинутая в 1970—х годах, - то эти гравитационные карлики должны проходить через нашу солнечную систему по крайней мере раз в десятилетие. Исследователи предсказывают, что подобный пролет внесет колебание в орбиту Марса до такой степени, что современные технологии действительно смогут это обнаружить.

Такое обнаружение могло бы подтвердить идею о том, что первичные черные дыры являются основным источником темной материи во всей Вселенной. "Учитывая десятилетия прецизионной телеметрии, ученые знают расстояние между Землей и Марсом с точностью около 10 сантиметров", - говорит автор исследования Дэвид Кайзер, профессор физики и истории науки Массачусетского технологического института в Гермесхаузене.

"Мы используем преимущества этой хорошо оснащенной области космоса, чтобы попытаться добиться небольшого эффекта. Если мы это увидим, это будет считаться реальной причиной продолжать развивать эту восхитительную идею о том, что вся темная материя состоит из черных дыр, которые возникли менее чем за секунду после Большого взрыва и вращались по Вселенной в течение 14 миллиардов лет".

Кайзер и его коллеги сообщают о своих выводах в журнале Physical Review D. Соавторами исследования являются ведущий автор Тунг Тран, который в настоящее время является аспирантом Стэнфордского университета; Сара Геллер, доктор философии, которая в настоящее время работает постдоком в Калифорнийском университете в Санта-Крузе; и Бенджамин Леманн, научный сотрудник Массачусетского технологического института Паппалардо.

За пределами частиц

Менее 20% всей физической материи состоит из видимых элементов, от звезд и планет до кухонной раковины. Остальное состоит из темной материи, гипотетической формы материи, которая невидима во всем электромагнитном спектре, но, как полагают, пронизывает Вселенную и обладает гравитационной силой, достаточно большой, чтобы влиять на движение звезд и галактик.

Физики установили на Земле детекторы, чтобы попытаться обнаружить темную материю и определить ее свойства. По большей части, в этих экспериментах предполагается, что темная материя существует как форма экзотической частицы, которая может рассеиваться и распадаться на наблюдаемые частицы при прохождении через данный эксперимент. Но до сих пор такие поиски, основанные на частицах, ни к чему не приводили.

В последние годы вновь появилась другая возможность, впервые выдвинутая в 1970-х годах: вместо того, чтобы принимать форму частиц, темная материя могла 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 образовались бы в результате коллапса плотных газовых скоплений в самой ранней Вселенной и рассеялись бы по всему космосу по мере расширения и охлаждения Вселенной.

Эти первичные черные дыры должны были сжать огромное количество массы в крошечное пространство. Большинство из этих первичных черных дыр могли быть размером с один атом и массой с самые крупные астероиды. Тогда можно было бы предположить, что такие крошечные гиганты могут оказывать гравитационное воздействие, которое могло бы объяснить, по крайней мере, часть темной материи. Для команды Массачусетского технологического института эта возможность вызвала изначально несерьезный вопрос.

"Кажется, кто-то спрашивал меня, что произойдет, если первичная черная дыра пройдет сквозь человеческое тело", - вспоминает Танг, который быстро провел расчеты с помощью карандаша и бумаги и выяснил, что если такая черная дыра пролетит на расстоянии 1 метра от человека, сила притяжения черной дыры оттолкнет человека на расстоянии 6 метров или около 20 футов за одну секунду. Танг также обнаружил, что вероятность того, что первичная черная дыра пройдет где-либо рядом с человеком на Земле, астрономически мала.

Вызвав их интерес, исследователи продвинулись в расчетах Тунга еще на шаг вперед, чтобы оценить, как облет 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. "Цифры, которые мы получили, были не очень четкими. В Солнечной системе существует множество других факторов, которые могут действовать как своего рода трение, вызывающее ослабление колебаний".

Близкие столкновения

Чтобы получить более четкую картину, команда создала относительно простую модель Солнечной системы, которая включает в себя орбиты и гравитационные взаимодействия между всеми планетами и некоторыми из крупнейших спутников.

"Современное моделирование Солнечной системы включает в себя более миллиона объектов, каждый из которых обладает крошечным остаточным эффектом", - отмечает Леманн. "Но даже тщательно смоделировав два десятка объектов, мы смогли увидеть реальный эффект, в котором мы могли бы разобраться".

Команда рассчитала скорость, с которой первичная черная дыра должна проходить через солнечную систему, основываясь на количестве темной материи, которое, по оценкам, находится в данной области пространства, и массе проходящей черной дыры, которая в данном случае, по их предположениям, должна быть такой же массивной, как и самая крупная астероиды в Солнечной системе согласуются с другими астрофизическими ограничениями.

"Первичные черные дыры обитают не в Солнечной системе. Скорее, они перемещаются по Вселенной, занимаясь своими делами", - говорит соавтор Сара Геллер. - И вполне вероятно, что они проходят через внутреннюю часть Солнечной системы под определенным углом примерно раз в 10 лет".

Учитывая эту скорость, исследователи смоделировали различные черные дыры массой с астероид, пролетающие через Солнечную систему под разными углами и со скоростью около 150 миль в секунду. (Направления и скорости получены из других исследований распределения темной материи по всей нашей галактике).

Они сосредоточились на тех полетах, которые, по-видимому, были "близкими контактами", или случаями, которые оказывали какое-либо воздействие на окружающие объекты. Они быстро обнаружили, что любое воздействие на Землю или Луну было слишком неопределенным, чтобы связать его с конкретной черной дырой. Но Марс, казалось, давал более четкую картину.

Исследователи обнаружили, что если бы первичная черная дыра прошла в пределах нескольких сотен миллионов миль от Марса, это столкновение вызвало бы "колебание", или небольшое отклонение орбиты Марса. В течение нескольких лет после такой встречи орбита Марса должна сместиться примерно на метр — невероятно малое колебание, учитывая, что планета находится на расстоянии более 140 миллионов миль от Земли. И все же это колебание может быть обнаружено различными высокоточными приборами, которые сегодня наблюдают за Марсом.

Исследователи признают, что если бы такое колебание было обнаружено в ближайшие пару десятилетий, то потребовалось бы еще много работы, чтобы подтвердить, что толчок произошел от пролетающей мимо черной дыры, а не от обычного астероида.

"Нам нужно как можно больше ясности в отношении ожидаемых исходных данных, таких как типичные скорости и распределение скучных космических пород, в сравнении 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 очень разными типами траекторий и скоростей, которым должны следовать первичные черные дыры".

Чтобы помочь в этом, исследователи изучают возможность нового сотрудничества с группой, обладающей обширным опытом моделирования многих других объектов в Солнечной системе.

"Сейчас мы работаем над моделированием огромного количества объектов, от планет до лун и горных пород, и изучаем, как все они перемещаются в течение длительного времени", - говорит Геллер. "Мы хотим внедрить сценарии близкого столкновения и посмотреть на их последствия с большей точностью".

"Это очень точный тест, который они предложили, и он может показать нам, находится ли ближайшая черная дыра ближе, чем мы думаем", - говорит Мэтт Каплан, доцент физики в Университете штата Иллинойс, который не принимал участия в исследовании.

"Я должен подчеркнуть, что здесь также требуется немного удачи. Обнаружит ли поиск громкий и четкий сигнал или нет, зависит от точного пути, который блуждающая черная дыра проходит через Солнечную систему. Теперь, когда они проверили эту идею с помощью моделирования, им предстоит самое сложное — проверить реальные данные".

Источник