# PBS Space Time: «Солнечная система может стать детектором темной материи»

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=wh75ubECL8I
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 16.01.2025

---

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
[[JUMP:00:38]]

Более 80% массы Вселенной приходится на таинственную невидимую субстанцию, которую принято называть темной материей [0:38]. 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 [1:30].

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 [1:44]. 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 [2:11].

Единственным кандидатом на роль невидимого объекта в этом весовом диапазоне остается первичная черная дыра (primordial black hole, PBH).

## 🌑 Первичные черные дыры: реликты Большого взрыва
[[JUMP:02:23]]

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 [2:23]. В тот период микроскопические колебания плотности в «первичном супе» материи и энергии могли приводить к прямому коллапсу переуплотненных участков в черные дыры [2:49].

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 [7:30].
*   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 [6:23].

## 🛰️ Солнечная система как гигантский детектор
[[JUMP:03:56]]

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 [3:56]. 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 [4:21].

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:

1.  Две машины едут рядом со скоростью 100 км/ч.
2.  Круиз-контроль одной из них дает сбой, и скорость увеличивается до 100,1 км/ч.
3.  Сразу это незаметно, но через час машина окажется на 10 метров впереди, что легко зафиксировать [9:19].

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 [9:48].

## 📏 Точность атомных секундомеров и проблема шума
[[JUMP: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 [11:19].

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 [11:58]. 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 [13:06].

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) [14:11].
*   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) [14:53].

## 🧪 Два эксперимента: прошлое и будущее
[[JUMP:15:20]]

Ученые предлагают два способа проверки гипотезы.

Первый можно реализовать уже сейчас: это анализ накопленных данных за последние 20 лет наблюдений за Марсом [15:20]. 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 [17:11].

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» [17:52]. Таким образом, Солнечная система уже функционирует как детектор частиц размером с атом, но массой с целую гору.