Новое исследование предполагает, что Марс может помочь разгадать тайну темной материи

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) предложили новый способ найти доказательства существования первичных черных дыр и темной материи -- одной из самых неуловимых загадок Вселенной -- путем наблюдения за движением Марса.

Об этом рассказывают OstanniPodii.com.

Согласно результатам нового исследования, в случае успеха, новый подход может предложить убедительные доказательства существования микроскопических черных дыр, что давно теоретически предполагалось.

"Благодаря десятилетиям точной телеметрии ученые знают расстояние между Землей и Марсом с точностью около 10 сантиметров", - сказал в пресс-релизе автор исследования, профессор физики в MIT, доктор Дэвид Кайзер. "Мы используем преимущества этого высокоинструментального региона космоса, чтобы попытаться найти небольшой эффект".

"Если мы его увидим, это будет реальной причиной продолжать преследовать 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 в течение 14 миллиардов лет".

В статье, недавно опубликованной в журнале Physical Review D, исследователи предполагают, что едва заметные изменения в орбите Марса могут предоставить первые физические доказательства существования первичных черных дыр и пролить свет на загадочную природу темной материи.

Первичные черные дыры -- это гипотетические черные дыры, которые, как полагают, образовались в экстремальных условиях ранней Вселенной. В отличие от массивных черных дыр, которые образуются из звезд при их смерти, эти микроскопические черные дыры могут иметь массу меньше массы астероида, в диапазоне от 10^17 до 10^23 граммов (примерно масса горы). Считается, что, несмотря на свой крошечный размер, первичные черные дыры чрезвычайно плотные и искривляют пространство-время в своем окружении.

В течение десятилетий первичные черные дыры считались потенциальным объяснением темной материи -- гипотетической формы материи, которая не взаимодействует со светом или электромагнитным излучением.

С начала 20-го века существование темной материи предполагали на основе наблюдаемых гравитационных эффектов, которые общая теория относительности не может объяснить. Однако истинная природа темной материи остается неуловимой, и её еще предстоит непосредственно наблюдать.

В своем недавнем исследовании ученые из Центра теоретической физики MIT предполагают, что наблюдение за Марсом с целью выявления незначительных "колебаний" или возмущений на его орбите может иметь ключевое значение для доказательства существования первичных черных дыр и окончательной разгадки тайны темной материи.

По мнению исследователей, если бы первичная черная дыра проходила через Солнечную систему, она бы оказывала гравитационное воздействие на планеты, вызывая едва заметные изменения в их орбитальных траекториях.

Ища эти аномалии, в частности на орбите Марса, исследователи говорят, что можно было бы обнаружить первичные черные дыры и подтвердить их роль как темной материи.

"Первичные черные дыры не живут в Солнечной системе. Скорее, они проносятся сквозь Вселенную, делая свои дела", - говорит соавтор исследования, доктор Сара Геллер. "И вероятность того, что они проходят через внутреннюю Солнечную систему под определенным углом раз в 10 лет или около того".

Эта идея базируется на невероятной точности, с которой сегодня измеряются планетарные орбиты. Благодаря десятилетиям наблюдений, включая спутниковые данные и лазерные измерения, орбиты Марса и других планет нашей Солнечной системы нанесены на карту с удивительной точностью -- вплоть до сантиметра.

Сравнивая эти измерения с данными в реальном времени, которые поступают с орбитальных и спускаемых аппаратов, ученые могут искать отклонения в движении планеты, которые не могут быть объяснены известными гравитационными силами Солнца или других планет.

По мнению исследователей, прохождение первоначальной черной дыры могло бы вызвать заметный всплеск на орбите Марса, который современные технологии наблюдения могли бы зафиксировать. Они предлагают использовать данные текущих миссий, таких как марсоходы НАСА, которые уже более двух десятилетий точно измеряют положение планеты.

Исследователи говорят, что идея этого нового подхода к обнаружению первичных черных дыр возникла из довольно безобидного вопроса.

"Кажется, кто-то спросил меня, что произойдет, если первобытная черная дыра пройдет сквозь человеческое тело", - вспоминает ведущий автор исследования Тунг Тран.

Тран объяснил, что шансы на то, что первичная черная дыра пройдет где-то рядом с человеком на Земле, "астрономически маловероятны". Однако, согласно его расчетам, если бы черная дыра размером с один атом прошла на расстоянии примерно метра от человека, она приложила бы достаточно силы, чтобы оттолкнуть его на расстояние несколько метров всего за одну секунду.

Этот невероятный воображаемый эксперимент вдохновил Трана и его коллег на гипотезу, что первичная черная дыра, пролетая мимо, может оказывать заметное влияние на более крупные небесные тела во Вселенной.

Чтобы подтвердить эту теорию, исследователи провели масштабные симуляции, которые моделировали потенциальные последствия прохождения первичных черных дыр через Солнечную систему.

Эти симуляции имели целью предсказать, как такие встречи будут тонко влиять на орбиты планет, в частности Марса. Сравнивая ожидаемые гравитационные возмущения, вызванные первичными черными дырами, с точными данными об орбите Марса, команда обнаружила, что такие аномалии действительно можно обнаружить с помощью современных или ближайших технологий наблюдения.
"Самые современные симуляции Солнечной системы включают более миллиона объектов, каждый из которых имеет крошечный остаточный эффект", - говорит соавтор исследования, научный сотрудник MIT д-р Бенджамин Леманн. "Но даже тщательно смоделировав два десятка объектов, мы увидели, что существует реальный эффект, который мы можем исследовать".

С помощью симуляций исследователи обнаружили, что даже если первичная черная дыра пройдет в пределах нескольких сотен миллионов километров от Марса, это вызовет небольшое "колебание" или отклонение орбиты планеты. За несколько лет после встречи орбита Марса сместилась бы примерно на метр. Хотя это изменение будет небольшим, его можно будет обнаружить с помощью высокоточных инструментов, которые сейчас наблюдают за планетой.

Исследователи признают, что если колебания орбиты Марса будут обнаружены, будет важно определить, была ли эта аномалия вызвана первичной черной дырой или чем-то более привычным, например, астероидом.

"Нам нужно как можно больше ясности относительно ожидаемого фона, например, типичных скоростей и распределения скучных космических пород, по сравнению с этими первичными черными дырами", - пояснил д-р Кайзер.

К счастью, астрономы отслеживают астероиды и другой космический мусор в течение десятилетий, получая подробные данные об их траекториях. Сравнивая эти типичные траектории и скорости с четким поведением, которое можно ожидать от первичной черной дыры, пролетающей мимо, исследователи могут начать исключать более приземленные объяснения.

Для дальнейшего совершенствования своего анализа команда рассматривает возможность сотрудничества с экспертами, специализирующимися на моделировании более широкого спектра объектов Солнечной системы. Такое партнерство поможет гарантировать, что любые наблюдаемые отклонения в орбите Марса будут тщательно изучены с учетом всех возможных причин.

"Сейчас мы работаем над моделированием огромного количества объектов, от планет до спутников и камней, а также над тем, как они движутся в течение длительного времени", - добавил д-р Геллер. "Мы хотим ввести сценарии близких встреч и посмотреть на их последствия с большей точностью".

Этот новый подход может наконец предоставить долгожданные доказательства существования темной материи. Несмотря на десятилетия поисков, прямого обнаружения не было сделано, и ученые исследовали широкий спектр возможностей -- от экзотических частиц до массивных астрономических объектов. Первичные черные дыры являются остроинтересным кандидатом, поскольку они согласуются с нашим пониманием ранней Вселенной и природы темной материи.

Предыдущие методы поиска темной материи были сосредоточены на обнаружении частиц со слабым взаимодействием, известных как WIMP, которые были предсказаны теориями физики элементарных частиц. Однако никакие эксперименты до сих пор не обнаружили этих частиц, что заставило ученых рассмотреть альтернативные объяснения -- в частности, первичные черные дыры.

Преимущество предложения команды MIT заключается в том, что оно использует имеющиеся технологии. Поскольку десятилетиями точные данные об орбите Марса уже доступны, а текущие миссии продолжают собирать их, ученым, возможно, не нужно будет запускать новые дорогие миссии для охоты на темную материю. Вместо этого ответ может уже скрываться в тех данных, которые мы имеем.

В случае успеха этот метод может открыть новый путь к изучению Вселенной. Он не только предоставит прямые доказательства существования первичных черных дыр и их роли в темной материи, но и позволит по-новому взглянуть на формирование Вселенной.

Считается, что первичные черные дыры образовались в очень ранней Вселенной, задолго до появления звезд и галактик. Их обнаружение поможет ученым понять условия Вселенной в ее зачаточном состоянии.

Более того, обнаружение темной материи таким образом изменило бы космологию. Оно подтвердило бы, что большая часть массы Вселенной состоит из черных дыр, которые были скрыты от нас в течение миллиардов лет, и дало бы более простое объяснение темной материи, чем экзотические частицы, которые еще предстоит открыть.