Da li nam Mars otkriva najveću tajnu tamne materije

U jednoj novoj studiji, fizičari sa MIT-a predlažu da, ako je većina tamne materije u svemiru sastavljena od mikroskopskih primordijalnih crnih rupa — ideje koja je prvi put predložena 1970-ih — onda bi ovi gravitacioni patuljci trebalo da prolaze kroz naš Sunčev sistem barem jednom u deceniji, piše Science Daily. Istraživači predviđaju da bi ovakav prolazak mogao da izazove oscilaciju u Marsovoj orbiti, do stepena koji današnja tehnologija zapravo može detektovati.

Takva detekcija mogla bi podržati ideju da su primordijalne crne rupe glavni izvor tamne materije širom svemira.

Preporučujemo

„S obzirom na decenije precizne telemetrije, naučnici znaju razdaljinu između Zemlje i Marsa sa tačnošću od oko 10 centimetara“, kaže autor studije Dejvid Kajzer, profesor fizike i profesor istorije nauke na MIT-u. „Koristimo ovaj visoko instrumentisani prostor kako bismo pokušali da pronađemo mali efekat. Ako ga vidimo, to bi bio pravi razlog da se nastavi sa ovom intrigantnom idejom da se sva tamna materija sastoji od crnih rupa koje su nastale u manje od sekunde nakon Velikog praska i kružile po svemiru 14 milijardi godina.“

Kajzer i njegove kolege objavljuju svoja otkrića danas u časopisu "Physical Review D". Koautori studije su vodeći autor Tung Tran '24, sada student postdiplomskih studija na Univerzitetu Stenford; Sara Geler, sada postdoktorant na Univerzitetu Kalifornije u Santa Kruzu i Benjamin Leman sa MIT.

Iza čestica

Manje od 20 procenata sve fizičke materije čine vidljive stvari, od zvezda i planeta, do kuhinjske sudopere. Ostatak čini tamna materija, hipotetički oblik materije koji je nevidljiv kroz ceo elektromagnetski spektar, ali se smatra da prožima svemir i ispoljava gravitacionu silu dovoljno jaku da utiče na kretanje zvezda i galaksija.

Fizičari su postavili detektore na Zemlji kako bi pokušali da uoče tamnu materiju i odrede njena svojstva. Većina ovih eksperimenata pretpostavlja da tamna materija postoji kao oblik egzotične čestice koja bi mogla da se rasprši i raspadne u vidljive čestice dok prolazi kroz eksperiment. Ali do sada su ovakve pretrage zasnovane na česticama bile neuspešne.

Poslednjih godina, još jedna mogućnost, prvi put predstavljena 1970-ih, ponovo je stekla popularnost: umesto da ima oblik čestica, tamna materija bi mogla postojati u vidu mikroskopskih primordijalnih crnih rupa koje su se formirale u prvim trenucima nakon Velikog praska. Za razliku od astrofizičkih crnih rupa koje nastaju kolapsom starih zvezda, primordijalne crne rupe bi nastale kolapsom gustih džepova gasa u ranom svemiru i rasule bi se širom kosmosa kako se svemir širio i hladio.

Ove primordijalne crne rupe bi kolapsirale ogromnu masu u mali prostor. Većina ovih primordijalnih crnih rupa mogla bi biti mala poput atoma, ali teška poput najvećih asteroida.

Bilo bi moguće zamisliti, dakle, da bi takvi mali giganti mogli ispoljiti gravitacionu silu koja bi mogla objasniti barem deo tamne materije. Za MIT tim, ova mogućnost je postavila naizgled neozbiljno pitanje.

"Mislim da me je neko pitao šta bi se desilo ako bi primordijalna crna rupa prošla kroz ljudsko telo," seća se Tung, koji je brzo izračunao olovkom na papiru da bi, ako bi takva crna rupa prošla na udaljenosti od 1 metra od osobe, sila crne rupe gurnula osobu 6 metara za jednu sekundu. Tung je takođe otkrio da su šanse da primordijalna crna rupa prođe blizu bilo koje osobe na Zemlji astronomski male.

Njihovo interesovanje je poraslo, pa su istraživači uzeli Tungove proračune i otišli korak dalje, kako bi procenili kako bi prolazak crne rupe mogao uticati na mnogo veća tela poput Zemlje i Meseca.

"Ekstrapolirali smo da vidimo šta bi se desilo ako bi crna rupa proletela pored Zemlje i izazvala da Mesec malo zatreperi," kaže Tung. "Brojevi koje smo dobili nisu bili sasvim jasni. Postoje mnoge druge dinamike u Sunčevom sistemu koje bi mogle delovati kao neka vrsta trenja i uzrokovati da oscilacija nestane."

Bliski susreti

Kako bi dobili jasniju sliku, tim je napravio relativno jednostavnu simulaciju Sunčevog sistema koja uključuje orbite i gravitacione interakcije između svih planeta i nekih od najvećih meseca.

"Najmodernije simulacije Sunčevog sistema uključuju više od milion objekata, od kojih svaki ima mali rezidualni efekat," napominje Lehmann. "Ali čak i sa modelovanjem dva tuceta objekata u pažljivoj simulaciji, mogli smo videti da postoji stvarni efekat u koji bismo mogli dublje zaroniti."

Tim je izračunao učestalost prolaska primordijalne crne rupe kroz Sunčev sistem, na osnovu količine tamne materije za koju se procenjuje da se nalazi u određenoj regiji svemira i mase prolazne crne rupe, koja je u ovom slučaju pretpostavljena da je masivna kao najveći asteroidi u Sunčevom sistemu, u skladu sa drugim astrofizičkim ograničenjima.

"Primordijalne crne rupe "ne žive" u Sunčevom sistemu. Umesto toga, one prolaze kroz svemir, radeći svoje stvari," kaže koautor Sara Geler. "I verovatno je da prolaze kroz unutrašnji Sunčev sistem pod nekim uglom jednom svakih deset godina ili tako nešto."

Uzimajući u obzir ovu učestalost, istraživači su simulirali različite crne rupe mase asteroida koje prolaze kroz Sunčev sistem, iz različitih uglova i pri brzinama od oko 200 kilometara u sekundi. (Pravci i brzine dolaze iz drugih studija o distribuciji tamne materije širom naše galaksije.) Fokusirali su se na one prolaze koji su izgledali kao "bliski susreti" ili slučajeve koji su izazivali neki efekat u okolnim objektima. Brzo su otkrili da je svaki efekat na Zemlji ili Mesecu bio previše neizvestan da bi se mogao povezati s određenom crnom rupom. Ali Mars je dao jasniju sliku.

Istraživači su otkrili da, ako bi primordijalna crna rupa prošla na nekoliko stotina miliona milja od Marsa, taj susret bi izazvao "oscilaciju," ili malu devijaciju u Marsovoj orbiti. U roku od nekoliko godina nakon takvog susreta, Marsova orbita bi trebalo da se pomeri za oko metar — neverovatno mala oscilacija s obzirom na to da je planeta udaljena više od 140 miliona milja od Zemlje. Ipak, ovu oscilaciju bi mogli detektovati različiti precizni instrumenti koji danas nadgledaju Mars.

Ako bi se takva oscilacija detektovala u narednih nekoliko decenija, istraživači priznaju da bi i dalje bilo potrebno mnogo rada kako bi se potvrdilo da je guranje došlo od prolaska crne rupe, a ne od običnog asteroida.

"Treba nam što je moguće više jasnoće o očekivanim pozadinskim faktorima, poput tipičnih brzina i distribucija običnih svemirskih stena, u poređenju sa ovim primordijalnim crnim rupama," napominje Kajzer. "Srećom po nas, astronomi već decenijama prate obične svemirske stene dok lete kroz naš Sunčev sistem, tako da možemo izračunati tipične karakteristike njihovih putanja i početi da ih upoređujemo sa vrlo različitim vrstama staza i brzina koje bi primordijalne crne rupe trebalo da slede."

Da bi pomogli u tome, istraživači istražuju mogućnost nove saradnje s grupom koja ima opsežnu ekspertizu u simulaciji mnogih drugih objekata u Sunčevom sistemu.

"Sada radimo na simulaciji velikog broja objekata, od planeta do meseca i stena, i kako se svi oni kreću tokom dugih vremenskih perioda," kaže Geler. "Želimo da ubacimo scenarije bliskih susreta i pogledamo njihove efekte sa većom preciznošću."

(Telegraf Nauka/Science Daily)