Potraga za tamnom tvari u orbiti Marsa

U novoj studiji fizičari s MIT-a predlažu da, ako je većina tamne tvari u svemiru sastavljena od mikroskopskih primordijalnih crnih rupa, onda bi ti gravitacijski patuljci trebali proletjeti kroz naš Sunčev sustav barem jednom u desetljeću. 

 Prolet poput ovog, predviđaju istraživači, doveo bi do kolebanja Marsove orbite, do stupnja koji bi današnja tehnologija zapravo mogla otkriti.
 

Takvo otkrivanje moglo bi poduprijeti ideju da su primordijalne crne rupe primarni izvor tamne tvari u cijelom svemiru.
"S obzirom na desetljeća precizne telemetrije, znanstvenici znaju udaljenost između Zemlje i Marsa s točnošću od oko 10 centimetara", kaže autor studije David Kaiser, profesor fizike i povijesti znanosti na MIT-u. "Iskorištavamo ovo visoko instrumentirano područje svemira kako bismo pokušali pronaći mali učinak. Ako to vidimo, to bi se smatralo pravim razlogom da nastavimo slijediti ovu divnu ideju da se sva tamna tvar sastoji od crnih rupa koje su nastale u manje od sekunde nakon Velikog praska i kruže svemirom 14 milijardi godina."

Manje od 20 posto sve fizičke materije napravljeno je od vidljivih stvari, a ostatak se sastoji od tamne tvari, hipotetskog oblika materije koji je nevidljiv u cijelom elektromagnetskom spektru, ali se smatra da prožima svemir i vrši gravitacijsku silu dovoljno veliku da utječe na kretanje zvijezda i galaksija.

Fizičari su postavili detektore na Zemlji kako bi pokušali uočiti tamnu tvar i utvrditi njena svojstva. Ovi eksperimenti većinom pretpostavljaju da tamna tvar postoji kao oblik egzotične čestice koja bi se mogla raspršiti i raspasti u vidljive čestice dok prolazi kroz određeni eksperiment. No dosad takve pretrage temeljene na česticama nisu bile uspješne.

Posljednjih godina, još jedna mogućnost, prvi put uvedena 1970-ih, ponovno je dobila na snazi. Umjesto da poprimi oblik čestica, tamna tvar mogla bi postojati kao mikroskopske, primordijalne crne rupe koje su nastale u prvim trenucima nakon Velikog praska. Za razliku od astrofizičkih crnih rupa koje nastaju kolapsom starih zvijezda, primordijalne crne rupe nastale bi kolapsom gustih džepova plina u vrlo ranom svemiru i raspršile bi se po kozmosu kako se svemir širio i hladio.

Ove primordijalne crne rupe bi urušile ogromnu količinu mase u maleni prostor. Većina tih primordijalnih crnih rupa mogla bi biti mala poput jednog atoma i teška poput najvećih asteroida. Tada bi bilo zamislivo da takvi sićušni divovi mogu ispoljiti gravitacijsku silu koja bi mogla objasniti barem dio tamne tvari. Za tim MIT-a ova je mogućnost postavila isprva neozbiljno pitanje.

"Mislim da me netko pitao što bi se dogodilo kada bi iskonska crna rupa prošla kroz ljudsko tijelo", prisjeća se Tung, koji je napravio brzi izračun pomoću olovke i papira kako bi otkrio da ako bi takva crna rupa zazvonila unutar 1 metra od osobe, sila crne rupe gurnula bi osobu 6 metara u jednoj sekundi. Tung je također otkrio da su astronomski malo vjerojatni izgledi da će prvobitna crna rupa proći bilo gdje blizu osobe na Zemlji.
"Ekstrapolirali smo kako bismo vidjeli što bi se dogodilo da crna rupa proleti pored Zemlje i uzrokuje malo kolebanje Mjeseca", kaže Tung. “Brojevi koje smo dobili nisu bili baš jasni. Postoje mnoge druge dinamike u Sunčevom sustavu koje bi mogle djelovati kao neka vrsta trenja i uzrokovati prigušivanje kolebanja."

Kako bi dobio jasniju sliku, tim je napravio relativno jednostavnu simulaciju Sunčevog sustava koja uključuje orbite i gravitacijske interakcije između svih planeta i nekih od najvećih mjeseca.

Tim je razradio brzinu kojom bi primordijalna crna rupa trebala proći kroz Sunčev sustav, na temelju količine tamne tvari za koju se procjenjuje da se nalazi u određenom području svemira i mase crne rupe koja prolazi, što je u ovom slučaju , pretpostavili su da su masivni poput najvećih asteroida u Sunčevom sustavu, u skladu s drugim astrofizičkim ograničenjima.

“Primordijalne crne rupe ne žive u Sunčevom sustavu. Umjesto toga, one teku kroz svemir radeći svoje stvari,” kaže koautorica Sarah Geller. "A vjerojatnost je da prolaze kroz unutarnji Sunčev sustav pod nekim kutom svakih 10 godina."

S obzirom na ovu brzinu, istraživači su simulirali različite crne rupe mase asteroida koje lete Sunčevim sustavom, iz različitih kutova, i pri brzinama od oko 250 milja u sekundi.

Smjerovi i brzine potječu iz drugih studija distribucije tamne tvari u našoj galaksiji. Usredotočili su se na one prelete koji su izgledali kao "bliski susreti" ili slučajevi koji su izazvali neku vrstu učinka na okolne objekte. Brzo su otkrili da je bilo kakav učinak na Zemlji ili Mjesecu previše nesiguran da bi se mogao pripisati određenoj crnoj rupi. Ali činilo se da Mars nudi jasniju sliku.

Istraživači su otkrili da kad bi primordijalna crna rupa prošla unutar nekoliko stotina milijuna kilometara od Marsa, taj bi susret izazvao "kolebanje", odnosno blago odstupanje u Marsovoj orbiti. Unutar nekoliko godina od takvog susreta, Marsova bi se orbita trebala pomaknuti za oko metar, što je nevjerojatno malo kolebanje, s obzirom da je planet udaljen više od 240 milijuna milja od Zemlje. Pa ipak, ovo kolebanje moglo bi se detektirati raznim visokopreciznim instrumentima koji danas prate Mars.
Ako bi se takvo kolebanje otkrilo u sljedećih nekoliko desetljeća, istraživači priznaju da bi još uvijek bilo potrebno mnogo rada da se potvrdi da je potisak došao od crne rupe koja prolazi, a ne od običnog asteroida.

"Trebamo što je više moguće jasnoće očekivanih pozadina, kao što su tipične brzine i distribucije dosadnog svemirskog kamenja, u usporedbi s ovim iskonskim crnim rupama", napominje Kaiser. “Na našu sreću, astronomi su desetljećima pratili obične svemirske stijene dok su letjele kroz naš sunčev sustav, tako da smo mogli izračunati tipična svojstva njihovih putanja i početi ih uspoređivati ​​s vrlo različitim vrstama putanja i brzinama prvobitnih crnih rupa.”

Kako bi pomogli u tome, istraživači istražuju mogućnost nove suradnje sa grupom koja ima veliko iskustvo u simuliranju mnogo više objekata u Sunčevom sustavu.

"Sada radimo na simulaciji ogromnog broja objekata, od planeta do mjeseca i stijena, i kako se svi kreću kroz duge vremenske skale", kaže Geller. "Želimo ubaciti scenarije bliskih susreta i sagledati njihove učinke s većom preciznošću."

"To je vrlo zgodan test koji su predložili i mogao bi nam reći je li najbliža crna rupa bliže nego što mislimo", kaže Matt Caplan, izvanredni profesor fizike na Državnom sveučilištu Illinois, koji nije bio uključen u studiju. “Trebao bih naglasiti da je uključeno i malo sreće. Hoće li pretraga pronaći glasan i jasan signal ovisi o točnom putu kojim crna rupa prolazi kroz Sunčev sustav. Sada kada su ovu ideju provjerili simulacijama, moraju napraviti teži dio, provjeriti stvarne podatke.”

Studiju objavljenu u časopisu Physical Review možete pronaći na ovoj poveznici.