探测暗物质通过观察火星轨道的变化可能是一种创新的方法，研究人员如是说。麻省理工学院的物理学家最近的一项研究提出，如果宇宙中大部分的暗物质由微小的原始黑洞组成—这一想法源于1970年代—这些微小的引力实体大约每十年就应该通过我们的太阳系。根据研究人员的说法，这种事件将使用当前技术在火星的轨道上产生可检测的摆动。
成功检测到这种摆动可能会加强原始黑洞是宇宙中暗物质的重要来源的假设。
“多年来，科学家们测量地球与火星之间的距离，精度约为10厘米，”研究作者、麻省理工学院物理学教授暨科学史的Germeshausen教授大卫·凯泽解释道。“我们正在利用这个精确测量的空间区域来寻找微小的效应。发现这样的效应将提供一个引人注目的理由，以进一步研究暗物质由在大爆炸后不久就形成的黑洞组成，并在宇宙中旅行了140亿年的迷人概念。”
凯泽和他的团队今天在期刊《物理评论D》中分享他们的发现。共同作者包括首席作者唐·陈 ’24，目前是斯坦福大学的研究生；莎拉·盖勒 ’12, SM ’17, PhD ’23，目前是加州大学圣克鲁斯分校的博士后；以及麻省理工学院Pappalardo研究员本杰明·莱赫曼。
超越粒子的理解
可见物质—如恒星、行星和日常物体—占宇宙中所有物质的不到20％。其余部分由暗物质构成，这是一种理论上的物质，虽然对于所有形式的光是不可见的，但据信在整个宇宙中存在，并具有足够的引力影响力以影响恒星和星系的运动。
科学家们在地球上建造探测器，试图识别暗物质并理解其特性。迄今为止的大多数实验假设暗物质由奇特的粒子组成，这些粒子可能在通过探测设备时散射并转变为可检测的粒子。然而，这些基于粒子的调查在很大程度上没有成功。
最近，另一种理论自1970年代以来重新受到关注：暗物质可能不是一种粒子，而是由在大爆炸后不久形成的微观原始黑洞组成。与因坍缩恒星而产生的黑洞不同，原始黑洞被认为是在早期宇宙中由密集气体区域形成，随着宇宙的扩展和冷却而散布在空间中。
这些原始黑洞可能在一个非常小的体积内包含大量的质量。它们的大小可以是一个原子的大小，也可以是大型小行星的质量。这就提出了这些微小但巨大的实体可能对与暗物质相关的引力效应产生贡献的可能性。注意到这一潜力促使麻省理工学院的团队思考一个有趣的问题。
“曾经有人问我，如果一个原始黑洞通过一个人的身体，会发生什么，”唐回忆道。在快速分析之后，他发现如果这样的黑洞与一个人靠近一米，它可以在一秒钟内将他们推进大约6米（或约20英尺）远。但是，他也指出，原始黑洞接近地球上的任何人是极不可能的。
受到启发，研究人员扩展了唐的计算，以考虑黑洞如何影响更加巨大的天体，比如地球和月球。
“我们推测估计黑洞通过地球的影响以及它可能诱发的月球摆动，”唐解释道。“然而，结果很复杂，我们太阳系中的许多其他动力可能会抵消任何预期的摆动。”
探索近距离接触
为了获得清晰的视野，研究团队创建了一个简化的太阳系统模拟，考虑到所有行星和一些最大卫星的轨道和引力相互作用。
“由于最先进的太阳系模拟跟踪超过一百万个物体，每个物体的影响微乎其微，我们能够在我们更集中的模型中辨别出一个切实的效应，”莱赫曼说。“使用有限数量的物体仍然让我们能够更详细地研究这些效应。”
他们根据特定区域暗物质密度的现有估计和假设黑洞的质量计算了原始黑洞穿越太阳系的频率，他们认为这种质量与我们太阳系中的最大的小行星相当。
“原始黑洞在太阳系中不是静止的；相反，它们独立地在空间中移动，”共同作者莎拉·盖勒评论道。“据估计，它们大约每十年从某个角度穿过内部太阳系一次。”
利用这一速度，研究人员模拟了各种小行星质量的黑洞通过太阳系的经过，速度约为每秒150英里，并评估了近距离接触的影响。他们发现，虽然地球和月球表现出了不确定的反应，但火星提供了更有希望的结果。
他们得出结论，如果一个原始黑洞在与火星几亿英里的距离内经过，它将诱发一个可检测的“摆动”或火星轨道的微小偏差。在这种接触后的几年内，火星轨道的变化可能约为一米—这是一个极其微小的变化，考虑到该行星离地球超过1.4亿英里；然而，用目前监测火星的精密仪器，这可以被测量出来。
如果在未来几十年内观察到这样的摆动，研究人员强调，需要更严格的工作来确定这一效应是来自经过的黑洞还是典型的小行星。
“我们需要关于典型背景的最清晰了解，包括常规太空碎片的通常速度和轨迹与原始黑洞特殊路径和速度的不同，”凯泽指出。“幸运的是，天文学家多年来一直在跟踪普通太空岩石，使我们能够将它们的特性与原始黑洞的特性进行比较。”
为了促进这一目标，该团队正在考虑与在模拟更广泛种类天体方面拥有丰富经验的专家合作。
“我们目前正在建模大量的实体，从行星到小行星，观察它们在较长时间内的运动，”盖勒解释道。“我们的目标是引入近距离接触的情景，并以更高的精确度分析其影响。”
这项研究获得了美国能源部和美国国家科学基金会的资助，包括对数学和物理科学博士后奖学金的支持。
