Obserwując zmiany w Mars’ orbita w czasie może być nowym sposobem wykrywania przechodzącej ciemnej materii.
Ciemna materia, potencjalnie w postaci pierwotnych czarnych dziur, może ujawniać swoją obecność poprzez subtelny wpływ na orbitę Marsa. Te czarne dziury, teoretycznie pozostałości wczesnego Wszechświata, mogą być wykrywalne co dekadę, gdy przelatują przez Układ Słoneczny, oferując nowy sposób badania nieuchwytnej ciemnej materii.
Zrozumienie ciemnej materii: teorie i eksperymenty
Ponieważ mniej niż 20 procent całej materii fizycznej składa się z materii widzialnej – od gwiazd i planet po zlew kuchenny – astronomowie nadal stawiają hipotezy, jaką formę przybrała niewidzialna większość materii Wszechświata. Jedna z teorii głosi, że ciemna materia składa się ze słabo oddziałujących ze sobą masywnych cząstek, podczas gdy inna zakłada istnienie cząstek subatomowych zwanych aksjonami.
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.
Pierwotne czarne dziury: nowa forma ciemnej materii
Nowe badanie, którego współautorką jest Sarah Geller, stażystka ze stopniem doktora na Uniwersytecie im Instytut Fizyki Cząstek Santa Cruzsugeruje, że ciemna materia w innej formie, o której postawiono hipotezę po raz pierwszy ponad pół wieku temu, przechodzi przez nasz Układ Słoneczny mniej więcej raz na dekadę. Ta forma, znana jako „pierwotna czarna dziura”, może spowodować wahania na orbicie Marsa w stopniu, który dzisiejsza technologia jest w stanie faktycznie wykryć.
Teoria pierwotnych czarnych dziur, wprowadzona po raz pierwszy w latach 70. XX wieku, głosi, że ciemna materia może istnieć w postaci mikroskopowej spowodowanej zapadaniem się gęstych kieszeni gazu we wczesnym Wszechświecie. Zatem pierwotne czarne dziury powstałyby w pierwszych chwilach po Wielki Wybuchi rozproszyłyby się po całym kosmosie, gdy Wszechświat rozszerzałby się i ochładzał.
W przeciwieństwie do astrofizycznych czarnych dziur, które powstają w wyniku zapadania się starych gwiazd, teoretycy twierdzą, że pierwotne czarne dziury zapadły ogromną ilość masy w maleńką przestrzeń. I chociaż nie są zbudowane z cząstek, 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.
Odkrywanie pierwotnych czarnych dziur poprzez symulacje Układu Słonecznego
„Pierwotne czarne dziury nie żyją w Układzie Słonecznym. Raczej przepływają przez wszechświat, robiąc swoje” – powiedział Geller. „Prawdopodobieństwo jest takie, że przechodzą przez wewnętrzny Układ Słoneczny pod pewnym kątem, mniej więcej raz na 10 lat”.
Geller jest byłym absolwentem MITgdzie przeprowadzono większość badań na potrzeby niniejszego badania. Tam zespół wygenerował stosunkowo prostą symulację Układu Słonecznego, która uwzględnia orbity i interakcje grawitacyjne między wszystkimi planetami i niektórymi z największych księżyców. Następnie obliczyli przybliżoną szybkość, z jaką pierwotna czarna dziura powinna przechodzić przez Układ Słoneczny raz na dekadę, w oparciu o szacunkową ilość ciemnej materii znajdującej się w danym obszarze przestrzeni oraz masę przechodzącej czarna dziura.
W tym przypadku założyli, że jest tak masywna jak największe asteroidy w Układzie Słonecznym, zgodnie z innymi ograniczeniami astrofizycznymi. Naukowcy 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.)
Wykrywanie pierwotnych czarnych dziur: wahania orbity Marsa
Skupili się na tych przelotach, które wyglądały na „bliskie spotkania” lub przypadki, które powodowały jakiś efekt na otaczających obiektach. Szybko odkryli, że jakikolwiek wpływ na Ziemię lub Księżyc jest zbyt niepewny, aby można go było przypisać 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.
Uwagi końcowe na temat badań ciemnej materii
„Potrzebujemy możliwie największej przejrzystości oczekiwanych tła, takich jak typowe prędkości i rozkłady nudnych skał kosmicznych, w porównaniu z pierwotnymi czarnymi dziurami” – powiedział współautor badania, David Kaiser, profesor fizyki i profesor Germeshausen Historii Nauki na MIT. „Na szczęście dla nas astronomowie od dziesięcioleci śledzą zwykłe skały kosmiczne, gdy przelatywały przez nasz Układ Słoneczny. Moglibyśmy więc obliczyć typowe właściwości ich trajektorii i zacząć je porównywać z bardzo różnymi typami ścieżek i prędkościami, którymi powinny podążać pierwotne czarne dziury”.
Aby w tym pomóc, naukowcy badają możliwość nawiązania nowego partnerstwa 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” – powiedział Geller. „Chcemy wprowadzić scenariusze bliskich spotkań i przyjrzeć się ich efektom z większą precyzją”.
Badanie zatytułowane „Bliskie spotkania pierwotnego rodzaju: nowe obserwowalne dla pierwotnych czarnych dziur jako ciemna materia” zostało dziś opublikowane w czasopiśmie Przegląd fizyczny D.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Badanie MIT stwierdza, że możliwe jest wykrycie ciemnej materii poprzez chybotanie Marsa.
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
Głównym autorem artykułu jest były student MIT Tung Tran, obecnie absolwent Uniwersytetu Stanforda.
Ta praca był częściowo wspierany przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Narodową Fundację Nauki (NSF). Praca Gellera na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz jest wspierana przez stypendium podoktorskie NSF w dziedzinie nauk matematycznych i fizycznych.
