Коливання Марса може бути ознакою темної матерії, говориться в дослідженні

Спостереження за змінами з часом орбіти Червоної планети може стати новим способом виявлення темної матерії, що пролітає повз нас.

Про це розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

У новому дослідженні фізики припускають, що якщо більша частина темної матерії у Всесвіті складається з мікроскопічних первісних чорних дір -- ідея, вперше запропонована у 1970-х роках, -- то ці гравітаційні карлики повинні пролітати крізь нашу Сонячну систему принаймні раз на десятиліття. Дослідники прогнозують, що такий проліт може спричинити коливання орбіти Марса до такого рівня, що сучасні технології зможуть його виявити.

Таке виявлення могло б підтвердити ідею про те, що первісні чорні діри є основним джерелом темної матерії у Всесвіті.

"Завдяки десятиліттям точної телеметрії вчені знають відстань між Землею й Марсом з точністю близько 10 сантиметрів", - говорить співавтор дослідження Девід Кайзер, професор фізики в MIT. "Ми використовуємо переваги цієї високоінструментальної області космосу, щоб спробувати знайти невеликий ефект. Якщо ми його побачимо, це буде реальною причиною продовжувати розвивати цю чудову ідею про те, що вся темна матерія складається з чорних дір, які виникли менш ніж за секунду після Великого вибуху та поширюються по Всесвіту вже 14 мільярдів років".

Кайзер і його колеги повідомили про свої результати в журналі Physical Review D.

Крім частинок

Менше як 20 відсотків усієї фізичної матерії складається з видимих об′єктів -- від зірок і планет до кухонної раковини. Решта складається з темної матерії -- гіпотетичної форми матерії, яка невидима в усьому електромагнітному спектрі, але, як вважають, пронизує Всесвіт і чинить гравітаційну силу, достатньо велику, щоб впливати на рух зірок і галактик.

Фізики встановили детектори на Землі, щоб спробувати виявити темну матерію та визначити її властивості. Здебільшого ці експерименти припускають, що темна матерія існує у вигляді екзотичних частинок, які можуть розсіюватися й розпадатися на спостережувані частинки при проходженні через даний експеримент. Але поки що такі пошуки на основі частинок не дали жодних результатів.

Останніми роками знову набула популярності інша можливість, вперше запропонована у 1970-х роках: замість того, щоб набувати форми частинок, темна матерія може існувати у вигляді мікроскопічних, первісних чорних дір, які утворилися в перші моменти після Великого вибуху. На відміну від астрофізичних чорних дір, які утворюються внаслідок колапсу старих зірок, первісні чорні діри утворилися б внаслідок колапсу щільних скупчень газу в дуже ранньому Всесвіті й розлетілися б по космосу в міру того, як Всесвіт розширювався та охолоджувався.

Ці первісні чорні діри стискали величезну кількість маси в крихітному просторі. Більшість цих первісних чорних дір могли бути такими ж маленькими, як один атом, і такими ж важкими, як найбільші астероїди. Отже, можна припустити, що такі крихітні гіганти могли створювати гравітаційну силу, яка могла б пояснити принаймні частину темної матерії. Для команди MIT ця можливість викликала спочатку несерйозне запитання.

"Здається, хтось запитав мене, що станеться, якщо первісна чорна діра пройде крізь людське тіло", - згадує провідний автор Танг Тран, який зараз є аспірантом Стенфордського університету. Він провів швидкі розрахунки олівцем і папером і виявив, що якщо така чорна діра проскочить в межах 1 метра від людини, то сила чорної діри відштовхне людину на 6 метрів за одну секунду. Танг також виявив, що ймовірність того, що первісна чорна діра пройде поблизу людини на Землі, була астрономічно малоймовірною.

Зацікавившись, дослідники зробили ще один крок у розрахунках Танга, щоб оцінити, як проліт чорної діри може вплинути на набагато більші тіла, такі як Земля та Місяць.

"Ми екстраполювали, щоб побачити, що станеться, якщо чорна діра пролетить повз Землю і змусить Місяць трохи похитнутися", - каже Танг. "Отримані нами цифри були не дуже чіткими. У Сонячній системі існує багато інших динамічних явищ, які можуть діяти як своєрідне тертя, викликаючи загасання коливань".

Близькі зустрічі

Щоб отримати чіткішу картину, команда створила відносно просту симуляцію Сонячної системи, яка включає орбіти й гравітаційну взаємодію між усіма планетами та деякими найбільшими супутниками.

"Найсучасніші симуляції Сонячної системи включають понад мільйон об′єктів, кожен з яких має крихітний залишковий ефект", - зазначає співавтор Бенджамін Леманн, науковий співробітник MIT. "Але навіть моделюючи два десятки об′єктів у ретельній симуляції, ми побачили, що існує реальний ефект, який ми можемо дослідити".

Команда розрахувала швидкість, з якою первісна чорна діра повинна пройти через Сонячну систему, виходячи з кількості темної матерії, яка, за оцінками, знаходиться в даній області простору, і маси чорної діри, яка в даному випадку, за їхніми припущеннями, повинна бути такою ж масивною, як найбільші астероїди в Сонячній системі, що узгоджується з іншими астрофізичними обмеженнями.

"Первісні чорні діри не живуть у Сонячній системі. Скоріше, вони проносяться крізь Всесвіт, роблячи свою власну справу", - каже співавторка дослідження Сара Геллер, яка зараз є докторантом Каліфорнійського університету в Санта-Крузі. "І ймовірність того, що вони проходять через внутрішню частину Сонячної системи під певним кутом приблизно раз на 10 років, дуже висока".

Враховуючи цю частоту, дослідники змоделювали різні чорні діри масою з астероїд, що пролітають через Сонячну систему під різними кутами і зі швидкістю близько 241 км на секунду. (Напрямки та швидкості взяті з інших досліджень розподілу темної матерії в нашій галактиці). Вони зосередилися на тих прольотах, які виявилися "близькими зустрічами", або випадками, які викликали певний ефект у навколишніх об′єктах. Дослідники швидко виявили, що будь-який вплив на Землю чи Місяць був надто непевним, щоб пов′язати його з конкретною чорною дірою. Але Марс, здавалося, пропонував більш чітку картину.

Команда розрахувала, що якщо первісна чорна діра пройде в межах кількох сотень мільйонів кілометрів від Марса, то ця зустріч спричинить "коливання", або невелике відхилення орбіти планети. Протягом кількох років після такої зустрічі орбіта Марса повинна змінитися приблизно на метр -- неймовірно мале коливання, враховуючи, що планета знаходиться на відстані понад 225 мільйонів кілометрів від Землі. І все ж, це коливання можна було б виявити за допомогою різних високоточних інструментів, які сьогодні спостерігають за Марсом.

Якщо таке коливання буде виявлено протягом наступних кількох десятиліть, дослідники визнають, що потрібно буде провести ще багато роботи, щоб підтвердити, що поштовх був спричинений чорною дірою, що пролітає повз, а не звичайним астероїдом.

"Нам потрібно якомога більше ясності щодо очікуваного фону, наприклад, типових швидкостей і розподілу нудних космічних камінців, у порівнянні з цими первісними чорними дірами", - зазначає Кайзер. "На наше щастя, астрономи десятиліттями відстежували звичайні космічні камені, коли вони пролітали через нашу Сонячну систему, тому ми могли розрахувати типові властивості їхніх траєкторій і почати порівнювати їх з дуже різними типами траєкторій і швидкостей, яких повинні дотримуватися первісні чорні діри".

Для допомоги в цьому, дослідники вивчають можливість нової співпраці з групою, яка має великий досвід моделювання багатьох інших об′єктів Сонячної системи.

"Зараз ми працюємо над моделюванням величезної кількості об′єктів, від планет до супутників і каменів, а також над тим, як вони рухаються в довготривалих часових масштабах", - каже Геллер. "Ми хочемо ввести сценарії близьких зустрічей і подивитися на їхні наслідки з більшою точністю".

"Вони запропонували дуже акуратний тест, і він може сказати нам, чи найближча чорна діра ближча, ніж ми думаємо", - каже Метт Каплан, доцент фізики в Університеті штату Іллінойс, який не брав участі в дослідженні. "Я повинен підкреслити, що тут також присутня невелика частка везіння. Чи знайде пошук гучний і чіткий сигнал, залежить від того, яким саме шляхом мандрівна чорна діра рухається в Сонячній системі. Тепер, коли вони перевірили цю ідею за допомогою симуляцій, їм належить виконати найскладнішу частину -- перевірити реальні дані".