Колебания Марса может быть признаком темной материи, говорится в исследовании

Наблюдение за изменениями со временем орбиты Красной планеты может стать новым способом обнаружения темной материи, пролетающей мимо нас.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

В новом исследовании физики 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 сквозь нашу Солнечную систему по крайней мере раз в десятилетие. Исследователи прогнозируют, что такой пролет может вызвать колебания орбиты Марса до такого уровня, что современные технологии смогут его обнаружить.

Такое обнаружение могло бы подтвердить идею 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 около 10 сантиметров", - говорит соавтор исследования Дэвид Кайзер, профессор физики в MIT. "Мы используем преимущества этой высокоинструментальной области космоса, чтобы попытаться найти небольшой эффект. Если мы его увидим, это будет реальной причиной продолжать развивать эту замечательную идею о том, что вся темная материя состоит из черных дыр, которые возникли менее чем за секунду после Большого взрыва и распространяются по Вселенной уже 14 миллиардов лет".

Кайзер и его коллеги сообщили о своих результатах в журнале Physical Review D.

Кроме частиц

Менее 20 процентов всей физической материи состоит из видимых объектов -- 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 оказывает гравитационную силу, достаточно большую, чтобы влиять на движение звезд и галактик.

Физики установили детекторы на Земле, чтобы попытаться обнаружить темную материю и определить её свойства. В основном эти эксперименты предполагают, что темная материя существует в виде экзотических частиц, которые могут рассеиваться и распадаться на наблюдаемые частицы при прохождении через данный эксперимент. Но пока что такие поиски на основе частиц не дали никаких результатов.

В последние годы вновь приобрела популярность другая 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 моменты 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 скоплений газа в очень ранней Вселенной и разлетелись бы по космосу по мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась.

Эти первичные черные дыры сжимали огромное количество массы в крошечном пространстве. Большинство этих первичных черных дыр могли быть такими же маленькими, как один атом, и такими же тяжелыми, как самые большие астероиды. Следовательно, можно предположить, что такие крошечные гиганты могли создавать гравитационную силу, которая могла бы объяснить по крайней мере часть темной материи. Для команды MIT эта возможность вызвала сначала несерьезный вопрос.

"Кажется, кто-то спросил меня, что произойдет, если первичная черная дыра пройдет сквозь человеческое тело", - вспоминает ведущий автор Танг Тран, который сейчас является аспирантом Стэнфордского университета. Он провел быстрые расчеты карандашом и бумагой и обнаружил, что если такая черная дыра проскочит в пределах 1 метра от человека, то сила черной дыры оттолкнет человека на 6 метров за одну секунду. Танг также обнаружил, что вероятность того, что первичная черная дыра пройдет вблизи человека на Земле, была астрономически маловероятной.

Заинтересовавшись, исследователи сделали еще один шаг 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 пошатнуться", - говорит Танг. "Полученные нами цифры были не очень четкими. В Солнечной системе существует много других динамических явлений, которые могут действовать как своеобразное трение, вызывая затухание колебаний".

Близкие встречи

Чтобы получить более четкую картину, команда создала относительно простую симуляцию Солнечной системы, которая включает орбиты и гравитационное взаимодействие между всеми планетами и некоторыми крупнейшими спутниками.

"Самые современные симуляции Солнечной системы включают более миллиона объектов, каждый из которых имеет крошечный остаточный эффект", - отмечает соавтор Бенджамин Леманн, научный сотрудник MIT. "Но даже моделируя два десятка объектов в тщательной симуляции, мы увидели, что существует реальный эффект, который мы можем исследовать".

Команда рассчитала скорость, с которой первичная черная дыра должна пройти через Солнечную систему, исходя из количества темной материи, которая, по оценкам, находится в данной области пространства, и массы черной дыры, которая в данном случае, по их предположениям, должна быть такой же массивной, как самые большие астероиды в Солнечной системе, что согласуется с другими астрофизическими ограничениями.

"Первичные черные дыры не живут в Солнечной системе. Скорее, они проносятся сквозь Вселенную, делая свое собственное дело", - говорит соавтор исследования Сара Геллер, которая сейчас является докторантом Калифорнийского университета в Санта-Крузе. "И вероятность того, что они проходят через внутреннюю часть Солнечной системы под определенным углом примерно раз в 10 лет, очень высока".

Учитывая эту частоту, исследователи смоделировали различные черные дыры массой с астероид, пролетающие через Солнечную систему под разными углами и со скоростью около 241 км в секунду. (Направления и скорости взяты из других исследований распределения темной материи в нашей галактике). Они сосредоточились на тех пролетах, которые оказались "близкими встречами", или случаями, которые вызвали определенный эффект в окружающих объектах. Исследователи быстро обнаружили, что любое воздействие на Землю или Луну было слишком неопределенным, чтобы связать его с конкретной черной дырой. Но Марс, казалось, предлагал более четкую картину.

Команда рассчитала, что если первичная черная дыра пройдет в пределах нескольких сотен миллионов километров от Марса, то эта встреча вызовет "колебания", или небольшое отклонение орбиты планеты. В течение нескольких лет после такой встречи орбита Марса должна измениться примерно на метр -- невероятно малое колебание, учитывая, что планета находится на расстоянии более 225 миллионов километров от Земли. И все же, это колебание можно было бы обнаружить с помощью различных высокоточных инструментов, которые сегодня наблюдают за Марсом.

Если такое колебание будет обнаружено в течение следующих нескольких десятилетий, исследователи признают, что нужно будет провести еще много работы, чтобы подтвердить, что толчок был вызван пролетающей мимо черной дырой, а не обычным астероидом.

"Нам нужно как можно больше ясности относительно ожидаемого фона, например, типичных скоростей и распределения скучных космических камней, по сравнению с этими первичными черными дырами", - отмечает Кайзер. "К нашему счастью, астрономы десятилетиями отслеживали обычные космические камни, когда они пролетали через нашу Солнечную систему, поэтому мы могли рассчитать типичные свойства их траекторий и начать сравнивать их с очень разными типами траекторий и скоростей, которых должны придерживаться первичные черные дыры".

Для помощи в этом, исследователи изучают возможность нового сотрудничества с группой, которая имеет большой опыт моделирования многих других объектов Солнечной системы.

"Сейчас мы работаем над моделированием огромного количества объектов, от планет до спутников и камней, а также над тем, как они движутся в долговременных временных масштабах", - говорит Геллер. "Мы хотим ввести сценарии близких встреч и посмотреть на их последствия с большей точностью".

"Они предложили очень аккуратный тест, и он может сказать нам, ближе ли ближайшая черная дыра ближе, чем мы думаем", - говорит Мэтт Каплан, доцент физики в Университете штата Иллинойс, который не участвовал в исследовании. "Я должен подчеркнуть, что здесь также присутствует небольшая доля везения. Найдет ли поиск громкий и четкий сигнал, зависит от того, каким именно путем странствующая черная дыра движется в Солнечной системе. Теперь, когда они проверили эту идею с помощью симуляций, им предстоит выполнить самую сложную часть -- проверить реальные данные".