研究发现火星的摆动可能是暗物质存在的迹象

在一项新研究中，麻省理工学院的物理学家提出，如果宇宙中的大部分暗物质是由微观的原始黑洞组成的(这一想法最早在 20 世纪 70 年代提出)，那么这些引力矮星应该每十年至少飞过我们的太阳系一次。研究人员预测，像这样的飞越将使火星的轨道产生摆动，其程度是当今的技术可以探测到的。

这样的探测可以支持原始黑洞是整个宇宙暗物质的主要来源的观点。

“经过数十年的精确遥测，科学家们已经知道地球和火星之间的距离精确度约为 10 厘米，”研究作者、麻省理工学院物理学教授和格梅斯豪森科学史教授大卫凯泽 (David Kaiser) 说道。

“我们正在利用这个仪器齐全的太空区域，试图寻找微小的影响。如果我们看到了它，那将是一个真正的理由来继续追求这个令人愉快的想法，即所有暗物质都由黑洞组成，这些黑洞在大爆炸后不到一秒内产生，并已在宇宙中流动了 140 亿年。”

Kaiser 和他的同事在《物理评论 D》杂志上发表了他们的研究成果。这项研究的共同作者包括第一作者 Tung Tran，他现在是斯坦福大学的研究生;Sarah Geller 博士，她现在是加州大学圣克鲁斯分校的博士后;以及麻省理工学院帕帕拉多研究员 Benjamin Lehmann。

超越粒子

所有物质中不到 20% 是由可见物质构成的，从恒星、行星到厨房水槽。其余部分由暗物质组成，暗物质是一种假想的物质形式，在整个电磁波谱中都是不可见的，但据认为它遍布宇宙，并施加了足以影响恒星和星系运动的引力。

物理学家在地球上架设了探测器，试图发现暗物质并确定其特性。这些实验大多假设暗物质是一种奇异粒子，在经过特定实验时可能会散射并衰变成可观测粒子。但到目前为止，这种基于粒子的搜索一无所获。

近年来，另一种于 20 世纪 70 年代首次提出的可能性重新受到关注：暗物质可能不是以粒子形式存在，而是以宇宙大爆炸后最初时刻形成的微观原始黑洞形式存在。

与由古老恒星坍缩形成的天体物理黑洞不同，原始黑洞是由宇宙早期密集气体囊坍缩形成的，并随着宇宙的膨胀和冷却而散布到整个宇宙。

这些原始黑洞会将巨大的质量坍缩到一个微小的空间中。这些原始黑洞中的大多数可能小到一个原子，重到最大的小行星。因此，可以想象，这些微小的巨星可以施加引力，这至少可以解释一部分暗物质。对于麻省理工学院的团队来说，这种可能性提出了一个最初毫无意义的问题。

“我记得有人问过我，如果一个原始黑洞穿过人体会发生什么，”Tung 回忆道，他用纸笔快速计算了一下，发现如果这样一个黑洞在距离人体 1 米以内的地方飞过，黑洞的力量会在一秒钟内将人体推离 6 米，即大约 20 英尺。Tung 还发现，原始黑洞从地球上任何靠近人体的地方经过的可能性微乎其微。

这激发了研究人员的兴趣，他们在 Tung 的计算基础上更进一步，估计黑洞飞越将如何影响地球和月球等更大的天体。

“我们推测如果黑洞飞过地球并导致月球轻微晃动，会发生什么，”董说。“我们得到的数字并不十分清楚。太阳系中还有许多其他动态因素，它们可以充当某种摩擦力，使晃动减弱。”

亲密接触

为了获得更清晰的图像，研究小组对太阳系进行了相对简单的模拟，其中包括所有行星和一些最大的卫星之间的轨道和引力相互作用。

“最先进的太阳系模拟包括了超过一百万个物体，每个物体都有微小的残留效应，”莱曼指出。“但即使在仔细模拟中只模拟了二十几个物体，我们也能看到存在可以深入研究的真实效应。”

研究团队根据特定空间区域中暗物质的估计数量，以及经过的黑洞的质量，计算出了原始黑洞穿过太阳系的速度。在这种情况下，他们假设黑洞的质量与太阳系中最大的小行星一样大，这与其他天体物理约束一致。

“原始黑洞并不存在于太阳系中。相反，它们在宇宙中穿梭，做着自己的事情，”合著者莎拉·盖勒说。“而且很可能每 10 年左右它们就会以某个角度穿过太阳系内部一次。”

根据这一速度，研究人员模拟了各种小行星质量黑洞从不同角度以大约每秒 150 英里的速度飞过太阳系的情况。(方向和速度来自其他有关银河系暗物质分布的研究。)

他们集中精力研究那些看似“近距离接触”的飞掠事件，或者对周围物体造成某种影响的事件。他们很快发现，对地球或月球的任何影响都太不确定，无法归咎于某个特定的黑洞。但火星似乎提供了更清晰的画面。

研究人员发现，如果一个原始黑洞经过距火星几亿英里的范围内，此次相遇将引发“摆动”，即火星轨道的轻微偏差。在这种相遇后的几年内，火星的轨道将偏移约一米——考虑到火星距离地球超过 1.4 亿英里，这是一个非常小的摆动。然而，这种摆动可以被目前监测火星的各种高精度仪器探测到。

研究人员承认，如果在未来几十年内探测到这种摆动，仍然需要做大量工作来确认这种推力是来自经过的黑洞，而不是普通的小行星。

凯泽指出：“我们需要尽可能清楚地了解预期的背景，比如钻孔太空岩石的典型速度和分布，以及这些原始黑洞的情况。”

“幸运的是，天文学家几十年来一直在追踪普通太空岩石穿过太阳系的过程，因此我们可以计算出它们轨迹的典型特性，并开始将它们与原始黑洞应遵循的非常不同类型的路径和速度进行比较。”

为了实现这一目标，研究人员正在探索与一个在模拟太阳系内更多物体方面拥有丰富专业知识的团队进行新合作的可能性。

“我们现在正致力于模拟大量物体，从行星到卫星和岩石，以及它们在长期尺度上的运动方式，”盖勒说。“我们希望注入近距离接触场景，并以更高的精度观察其影响。”

伊利诺伊州立大学物理学副教授马特·卡普兰 (Matt Caplan) 表示：“他们提出的测试非常巧妙，它可以告诉我们距离我们最近的黑洞是否比我们意识到的要近。”他并未参与这项研究。

“我应该强调，其中也包含一点运气。搜索是否能找到响亮而清晰的信号取决于流浪黑洞穿过太阳系的确切路径。现在他们已经用模拟验证了这个想法，他们必须做最困难的部分——检查真实数据。”