Десятилетиями ученые пытались обнаружить частицы темной материи с помощью сложнейших детекторов и коллайдеров, но поиски не увенчались успехом. Ведущий канала PBS Space Time рассказывает о новой перспективной гипотезе: темная материя может состоять из первичных черных дыр массой с астероид, а обнаружить их помогут микроскопические отклонения в орбите Марса.
🌌 Поиски «ключей под диваном»: где прячется темная материя 0:38
Более 80% массы Вселенной приходится на таинственную невидимую субстанцию, которую принято называть темной материей . Ученые долгое время искали ее в виде экзотических частиц — нейтрино, аксионов или вимпов, однако убедительных доказательств их существования до сих пор нет. Ведущий PBS Space Time сравнивает эту ситуацию с поиском ключей: когда вы не находите их в привычных местах, вы начинаете заглядывать под диван или в холодильник, но иногда стоит просто еще раз проверить собственные карманы .
Одним из таких «карманов», который исследователи начали изучать заново, является диапазон масс компактных тел. Наиболее многообещающим и малоизученным считается диапазон от $10^{17}$ до $10^{23}$ граммов, что примерно соответствует массе астероидов . При этом темная материя не может состоять из обычных астероидов, так как:
- Астероидный материал создается внутри звезд, а звезд во Вселенной недостаточно, чтобы произвести такое количество массы.
- Темная материя должна была существовать еще до появления первых звезд .
Единственным кандидатом на роль невидимого объекта в этом весовом диапазоне остается первичная черная дыра (primordial black hole, PBH).
🌑 Первичные черные дыры: реликты Большого взрыва 2:23
В отличие от современных черных дыр, которые образуются при коллапсе массивных звезд и имеют массу от трех солнечных, первичные черные дыры могли возникнуть сразу после Большого взрыва . В тот период микроскопические колебания плотности в «первичном супе» материи и энергии могли приводить к прямому коллапсу переуплотненных участков в черные дыры .
Если параметры ранней Вселенной были настроены определенным образом, таких объектов могло возникнуть достаточно, чтобы объяснить всю массу темной материи. Основные факты о PBH «астероидной» массы:
- Их горизонт событий имеет размер от субатомного до микроскопического, что делает их абсолютно невидимыми для телескопов .
- Они практически не взаимодействуют с обычной материей, кроме как через гравитацию.
- Многие диапазоны масс для PBH уже исключены благодаря наблюдениям за микролинзированием (например, в ходе обзора OGLE), но «астероидное окно» остается открытым .
🛰️ Солнечная система как гигантский детектор 3:56
Последние исследования показывают, что нам не нужно ждать, пока черная дыра врежется в Землю или Луну, чтобы ее заметить. Вся наша Солнечная система может служить огромным детектором, фиксирующим слабые гравитационные подписи пролетающих мимо PBH . Ведущий ссылается на статью ученых Тунг Трана, Сары Геллер, Бенджамина Лемана и Дэвида Кайзера, опубликованную в сентябре 2024 года, в которой оценивается возможность превращения планетных орбит в инструмент поиска черных дыр .
Принцип обнаружения основан на том, что пролет компактного объекта через внутреннюю часть Солнечной системы вызовет крошечное ускорение планет. Ведущий приводит аналогию с автомобилем на шоссе:
- Две машины едут рядом со скоростью 100 км/ч.
- Круиз-контроль одной из них дает сбой, и скорость увеличивается до 100,1 км/ч.
- Сразу это незаметно, но через час машина окажется на 10 метров впереди, что легко зафиксировать .
По расчетам ученых, если PBH массой $10^{21}$ граммов пройдет недалеко от Марса, через десятилетие положение планеты сместится примерно на 1 метр относительно предсказанной орбиты .
📏 Точность атомных секундомеров и проблема шума 10:13
Чтобы заметить отклонение в один метр на расстоянии миллионов километров, нужна невероятная точность измерений. К счастью, человечество уже обладает такими технологиями. Мы измеряем расстояния не напрямую, а по времени прохождения света, используя сверхточные атомные часы .
Хотя расстояние до Луны известно с точностью до 1 миллиметра благодаря лазерным отражателям, Луна не является идеальным детектором из-за своей близости к Земле и приливных эффектов . Марс подходит гораздо лучше. За последние 20 лет вокруг Красной планеты постоянно находились спутники, сигналы которых позволяют триангулировать положение планеты с точностью до 10 сантиметров .
Однако существует проблема «шума». Солнечная система наполнена астероидами и кометами, каждый из которых оказывает гравитационное влияние. Чтобы выделить сигнал от черной дыры, ученые должны учитывать:
- Все известные астероиды массой более $10^{20}$ граммов (их размер составляет около 100 км, и они хорошо отслеживаются) .
- Траекторию объекта: астероиды обычно движутся в плоскости эклиптики, тогда как PBH могут прилетать под любым углом и на гораздо более высоких скоростях (около 220 км/с) .
🧪 Два эксперимента: прошлое и будущее 15:20
Ученые предлагают два способа проверки гипотезы.
Первый можно реализовать уже сейчас: это анализ накопленных данных за последние 20 лет наблюдений за Марсом . С помощью сложных компьютерных симуляций исследователи пытаются выяснить, не отклонялся ли Марс от своей вероятной орбиты в прошлом так, как если бы рядом пролетел массивный невидимый объект. Если в данных обнаружится слишком много таких «пинков», которые нельзя объяснить влиянием известных астероидов, это станет серьезным доказательством в пользу существования первичных черных дыр .
Второй эксперимент направлен в будущее. Постоянный мониторинг позволит заметить влияние пролетающей PBH в реальном времени. Если мы зафиксируем гравитационное возмущение, но не увидим никакого объекта в мощнейшие телескопы, это будет означать, что источником является черная дыра. Как отмечает ведущий, мы можем идентифицировать темную материю, «наблюдая за ничем» . Таким образом, Солнечная система уже функционирует как детектор частиц размером с атом, но массой с целую гору.
