Obserwowanie zmian na orbicie Czerwonej Planety w czasie może być nowym sposobem wykrywania przechodzącej ciemnej materii.
MIT fizycy sugerują, że pierwotne czarne dziury powstały tuż po Wielki Wybuchmoże stanowić większość ciemnej materii Wszechświata. Te czarne dziury mogą być wykrywalne na podstawie ich wpływu na Mars’, dzięki dostępnym już dziś precyzyjnym pomiarom odległości. Odkrycie to może znacznie pogłębić naszą wiedzę na temat ciemnej materii i jej pochodzenia.
Odkrywanie pierwotnych czarnych dziur jako ciemnej materii
W nowym badaniu fizycy z MIT proponują, że jeśli większość ciemnej materii we wszechświecie składa się z mikroskopijnych pierwotnych czarnych dziur – pomysł ten zaproponowano po raz pierwszy w latach 70. XX wieku – to te karły grawitacyjne powinny przelatywać przez nasz Układ Słoneczny co najmniej raz na dekadę . Naukowcy przewidują, że taki przelot w pobliżu Marsa wprowadziłby wahania na orbicie Marsa w stopniu, który dzisiejsza technologia jest w stanie faktycznie wykryć.
Takie odkrycie może wesprzeć pogląd, że pierwotne czarne dziury są głównym źródłem ciemnej materii w całym wszechświecie.
Zaawansowana telemetria i interakcje kosmiczne
„Dzięki dziesięcioleciom precyzyjnej telemetrii naukowcy znają odległość między Ziemią a Marsem z dokładnością do dokładność około 10 centymetrów” – mówi autor badania David Kaiser, profesor fizyki i profesor historii nauki w MIT w Germeshausen. „Wykorzystujemy ten wysoce oprzyrządowany obszar przestrzeni kosmicznej, aby spróbować poszukać niewielkiego efektu. Jeśli to zobaczymy, będzie to prawdziwy powód, aby nadal podążać za tą zachwycającą koncepcją, że cała ciemna materia składa się z czarnych dziur, które powstały w niecałą sekundę po Wielkim Wybuchu i krążą po wszechświecie od 14 miliardów lat .”
Kaiser i jego współpracownicy ogłosili swoje odkrycia 17 września w czasopiśmie Przegląd fizyczny D. Współautorami badania są główny autor Tung Tran ’24, obecnie absolwent Uniwersytetu Stanforda; Sarah Geller ’12, SM ’17, PhD ’23, obecnie postdoktor na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz; oraz stypendysta MIT Pappalardo Benjamin Lehmann.
Nauka o pierwotnych czarnych dziurach
Mniej niż 20 procent całej materii fizycznej składa się z rzeczy widzialnych, od gwiazd i planet po zlew kuchenny. Reszta składa się z ciemnej materii, hipotetycznej formy materii, która jest niewidoczna w całym widmie elektromagnetycznym, a mimo to uważa się, że przenika wszechświat i wywiera siłę grawitacji wystarczająco dużą, aby wpływać na ruch gwiazd i galaktyk.
Fizycy ustawili na Ziemi detektory, aby spróbować wykryć ciemną materię i określić jej właściwości. W przeważającej części eksperymenty te zakładają, że ciemna materia istnieje jako forma egzotycznej cząstki, która może rozpraszać się i rozpadać na obserwowalne cząstki, przechodząc przez dany eksperyment. Jednak jak dotąd poszukiwania oparte na cząsteczkach nie dały rezultatu.
W ostatnich latach na popularności zyskała kolejna możliwość, wprowadzona po raz pierwszy w latach 70. XX wieku: ciemna materia zamiast przyjmować postać cząstek, mogłaby istnieć w postaci mikroskopijnych, pierwotnych czarnych dziur, które powstały w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu. W przeciwieństwie do astrofizycznych czarnych dziur, które powstają w wyniku zapadnięcia się starych gwiazd, pierwotne czarne dziury powstały w wyniku zapadnięcia się gęstych kieszeni gazu we wczesnym Wszechświecie i rozproszyłyby się po kosmosie w miarę rozszerzania się i ochładzania Wszechświata.
Te pierwotne czarne dziury spowodowałyby zapadnięcie ogromnej ilości masy w maleńką przestrzeń. Większość tych pierwotnych czarnych dziur może być tak mała jak pojedyncza atom i tak ciężki jak największe asteroidy. Można więc sobie wyobrazić, że takie maleńkie olbrzymy mogą wywierać siłę grawitacyjną, która mogłaby wyjaśnić przynajmniej część ciemnej materii. Dla zespołu MIT możliwość ta wywołała początkowo niepoważne pytanie.
„Myślę, że ktoś mnie zapytał, co by się stało, gdyby istniał pierwowzór czarna dziura przeszła przez ludzkie ciało” – wspomina Tung, który wykonał szybkie obliczenia ołówkiem na papierze i odkrył, że gdyby taka czarna dziura znalazła się w odległości mniejszej niż 1 metr od człowieka, siła czarnej dziury wypchnęłaby tę osobę na odległość 6 metrów lub około 20 stóp w ciągu jednej sekundy. Tung odkrył również, że prawdopodobieństwo, że pierwotna czarna dziura przeleci gdziekolwiek w pobliżu człowieka na Ziemi, jest astronomicznie mało prawdopodobne.
Ich zainteresowanie wzrosło, więc badacze poszli o krok dalej w obliczeniach Tunga, aby oszacować, w jaki sposób przelot czarnej dziury może wpłynąć na znacznie większe ciała, takie jak Ziemia i Księżyc.
„Przeprowadziliśmy ekstrapolację, aby zobaczyć, co by się stało, gdyby czarna dziura przeleciała obok Ziemi i spowodowała lekkie wahania Księżyca” – mówi Tung. „Liczby, które otrzymaliśmy, nie były zbyt jasne. W Układzie Słonecznym istnieje wiele innych zjawisk dynamicznych, które mogą działać jak pewnego rodzaju tarcie, powodując tłumienie drgań.
Symulacje Układu Słonecznego i bliskie spotkania
Aby uzyskać wyraźniejszy obraz, zespół wygenerował stosunkowo prostą symulację Układu Słonecznego, która uwzględnia orbity i interakcje grawitacyjne między wszystkimi planetami i niektórymi z największych księżyców.
„Najnowocześniejsze symulacje Układu Słonecznego obejmują ponad milion obiektów, z których każdy ma niewielki efekt szczątkowy” – zauważa Lehmann. „Ale nawet modelując dwa tuziny obiektów w ramach dokładnej symulacji, mogliśmy zobaczyć, że istnieje rzeczywisty efekt, w który mogliśmy się zagłębić”.
Zespół obliczył prędkość, z jaką pierwotna czarna dziura powinna przechodzić przez Układ Słoneczny, w oparciu o szacunkową ilość ciemnej materii znajdującej się w danym obszarze przestrzeni oraz masę przechodzącej czarnej dziury, która w tym przypadku , uznano, że są tak masywne jak największe asteroidy w Układzie Słonecznym, zgodnie z innymi ograniczeniami astrofizycznymi.
„Pierwotne czarne dziury nie żyją w Układzie Słonecznym. Raczej przepływają przez wszechświat, robiąc swoje” – mówi współautorka Sarah Geller. „Prawdopodobieństwo jest takie, że przelatują przez wewnętrzny Układ Słoneczny pod pewnym kątem mniej więcej raz na 10 lat”.
Biorąc pod uwagę tę prędkość, badacze symulowali różne czarne dziury o masie asteroidów przelatujące przez Układ Słoneczny pod różnymi kątami i z prędkością około 250 mil na sekundę. (Kierunki i prędkości pochodzą z innych badań rozmieszczenia ciemnej materii w naszej galaktyce.) Skupili się na tych przelotach, które wyglądały na „bliskie spotkania” lub przypadki, które powodowały jakiś efekt w otaczających obiektach. Szybko odkryli, że jakikolwiek efekt na Ziemi lub Księżycu jest zbyt niepewny, aby przypisać go do konkretnej czarnej dziury. Ale Mars wydawał się oferować wyraźniejszy obraz.
Naukowcy odkryli, że gdyby pierwotna czarna dziura przeleciała w odległości kilkuset milionów mil od Marsa, spotkanie spowodowałoby „wahanie się”, czyli niewielkie odchylenie orbity Marsa. W ciągu kilku lat od takiego spotkania orbita Marsa powinna przesunąć się o około metr – co jest niewiarygodnie małym wahaniem, biorąc pod uwagę, że planeta znajduje się ponad 240 milionów mil od Ziemi. A jednak to wahanie może zostać wykryte przez różne precyzyjne instrumenty monitorujące dzisiaj Marsa.
Naukowcy przyznają, że gdyby w ciągu najbliższych kilku dekad wykryto takie wahanie, potrzeba jeszcze wiele pracy, aby potwierdzić, że pchnięcie pochodzi od przechodzącej czarnej dziury, a nie zwykłej asteroidy.
„Potrzebujemy możliwie największej przejrzystości oczekiwanych tła, takich jak typowe prędkości i rozkłady nudnych skał kosmicznych w porównaniu z pierwotnymi czarnymi dziurami” – zauważa Kaiser. „Na szczęście dla nas astronomowie od dziesięcioleci śledzą zwykłe skały kosmiczne, gdy przelatują przez nasz Układ Słoneczny, więc mogliśmy obliczyć typowe właściwości ich trajektorii i zacząć porównywać je z bardzo różnymi rodzajami ścieżek i prędkościami, jakie pierwotne czarne dziury powinien podążać.”
Aby w tym pomóc, naukowcy badają możliwość nawiązania nowej współpracy z grupą posiadającą rozległą wiedzę specjalistyczną symulującą znacznie więcej obiektów w Układzie Słonecznym.
„Obecnie pracujemy nad symulacją ogromnej liczby obiektów, od planet po księżyce i skały, oraz nad tym, jak poruszają się one w długich skalach czasowych” – mówi Geller. „Chcemy wprowadzić scenariusze bliskich spotkań i przyjrzeć się ich efektom z większą precyzją”.
„To bardzo fajny test, który zaproponowali, i mógłby nam powiedzieć, czy najbliższa czarna dziura jest bliżej, niż nam się wydaje” – mówi Matt Caplan, profesor fizyki na Illinois State University, który nie był zaangażowany w badania. „Powinienem podkreślić, że w grę wchodzi też odrobina szczęścia. To, czy poszukiwania pozwolą na znalezienie głośnego i wyraźnego sygnału, zależy od dokładnej ścieżki, jaką wędrująca czarna dziura pokonuje przez Układ Słoneczny. Teraz, gdy sprawdzili ten pomysł za pomocą symulacji, muszą wykonać najtrudniejszą część – sprawdzić rzeczywiste dane.
Odniesienie: „Bliskie spotkania pierwotnego rodzaju: nowe obserwowalne dla pierwotnych czarnych dziur jako ciemna materia” Tung X. Tran, Sarah R. Geller, Benjamin V. Lehmann i David I. Kaiser, 17 września 2024 r., Przegląd fizyczny D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.110.063533
Prace te były częściowo wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych i amerykańską Narodową Fundację Nauki, która obejmuje staż podoktorski NSF w dziedzinie nauk matematycznych i fizycznych.
