MIT物理学家研究发现可通过跟踪火星摆动探测暗物质

一幅艺术家绘制的插图描绘了一个原始黑洞（左图）飞过，并短暂"摆动"火星轨道（右图），背景是太阳。麻省理工学院的科学家说，这种摆动可以被现在的仪器探测到。图片来源：本杰明-莱曼（Benjamin Lehmann）使用 SpaceEngine @ Cosmographic Software LLC 绘制。

在一项新的研究中，麻省理工学院的物理学家们提出，如果宇宙中的大部分暗物质都是由微小的原始黑洞组成的--这个想法最早是在 20 世纪 70 年代提出的--那么这些引力侏儒应该至少每十年一次飞越我们的太阳系。研究人员预测，这样的飞越会给火星轨道带来摆动，而这种摆动的程度是今天的技术所能真正探测到的。

这样的探测结果可以为原始黑洞是整个宇宙暗物质的主要来源这一观点提供支持。

研究报告的作者、麻省理工学院物理学教授兼格尔木斯豪森科学史教授戴维-凯泽（David Kaiser）说："经过数十年的精密遥测，科学家们对地球与火星之间距离的了解已经精确到大约 10 厘米。我们正在利用这一高度仪器化的太空区域，尝试寻找微小的影响。如果我们看到了，那就有理由继续追寻这个令人愉悦的想法，即所有暗物质都由黑洞组成，它们在宇宙大爆炸后不到一秒的时间内产生，并在宇宙中流淌了140亿年。"

凯泽和他的同事们于9月17日在《物理评论D》杂志上报告了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、现为斯坦福大学研究生的24岁的Tung Tran；现为加州大学圣克鲁兹分校博士后的12岁的Sarah Geller、17岁的SM、23岁的PhD；以及麻省理工学院帕帕拉多研究员Benjamin Lehmann。

从恒星、行星到厨房水槽，所有物理物质中只有不到 20% 是由可见物质构成的。其余的物质由暗物质组成，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，但却被认为弥漫在宇宙中，并产生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。在大多数情况下，这些实验都假定暗物质是以一种奇异粒子的形式存在的，当它通过特定实验时，可能会散射并衰变成可观测的粒子。但迄今为止，这种基于粒子的搜索一无所获。

近年来，20 世纪 70 年代首次提出的另一种可能性再次受到关注：暗物质不是以粒子的形式存在，而是以微观的原始黑洞的形式存在，这种黑洞是在宇宙大爆炸后的最初时刻形成的。与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的致密气团坍缩形成的，并随着宇宙的膨胀和冷却散布到整个宇宙。

这些原始黑洞会将巨大的质量坍缩到极小的空间里。这些原始黑洞的大部分可能小如一个原子，重如最大的小行星。那么，可以想象，这种微小的巨物可能会产生一种引力，至少可以解释部分暗物质。对于麻省理工学院的研究小组来说，这种可能性提出了一个最初很无聊的问题。

"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回忆说，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1米的范围内闪过，黑洞的力量会在一秒钟内把人推到6米远的地方，也就是大约20英尺远的地方。他还发现，原始黑洞从地球上任何地方经过人附近的可能性微乎其微。

研究人员被激起了兴趣，他们将 Tung 的计算进一步推进，估算黑洞飞掠可能对地球和月球等更大天体产生的影响。

Tung说："我们进行了推断，看看如果一个黑洞飞过地球，导致月球晃动一下会发生什么。我们得到的数字不是很清楚。太阳系中还有许多其他的动力学因素，可能会起到某种摩擦作用，导致摆动减弱。"

为了更清楚地了解情况，研究小组生成了一个相对简单的太阳系模拟，其中包含了所有行星和一些最大卫星之间的轨道和引力相互作用。

雷曼指出："最先进的太阳系模拟包括 100 多万个天体，每个天体都有微小的残余效应。但是，即使在仔细的模拟中对二十几个天体进行建模，我们也可以看到存在着我们可以深入研究的真实影响。"

研究小组根据特定空间区域内暗物质的估计数量和黑洞的质量，计算出了原始黑洞穿过太阳系的速度，在这种情况下，他们假定黑洞的质量与太阳系中最大的小行星一样大，这与其他天体物理学约束条件是一致的。

"原始黑洞并不生活在太阳系中。相反，它们在宇宙中流动，做着自己的事情，"合著者莎拉-盖勒说。"而概率是，它们每10年左右就会以某个角度穿过内太阳系一次"。

考虑到这一速度，研究人员模拟了各种小行星质量的黑洞从不同角度以大约每秒 150 英里的速度飞过太阳系。(这些方向和速度来自对整个银河系暗物质分布的其他研究）。他们将目标锁定在那些看似"亲密接触"的飞越上，或者那些会对周围物体造成某种影响的飞越。他们很快发现，地球或月球受到的任何影响都太不确定，无法归因于某个特定的黑洞。但火星似乎提供了一个更清晰的图像。

研究人员发现，如果一个原始黑洞在距离火星几亿英里的范围内经过，那么这次相遇将引发火星轨道的"摆动"或轻微偏移。在相遇后的几年内，火星的轨道应该会偏移大约一米--鉴于火星距离地球超过 1.4 亿英里，这种晃动小得令人难以置信。然而，今天监测火星的各种高精度仪器都能探测到这种摆动。

研究人员承认，如果在未来几十年内探测到这样的摆动，仍有许多工作要做，以确认推动力来自一个经过的黑洞，而不是一颗普通的小行星。

凯泽指出："我们需要尽可能清楚地了解预期背景，比如无聊的太空岩石与这些原始黑洞的典型速度和分布。对我们来说幸运的是，天文学家几十年来一直在追踪普通太空岩石飞过太阳系的轨迹，因此我们可以计算出它们轨迹的典型属性，并开始将它们与原始黑洞应该遵循的截然不同的路径和速度类型进行比较。"

为了帮助实现这一目标，研究人员正在探索与一个小组开展新合作的可能性，该小组拥有模拟太阳系中更多天体的丰富专业知识。

盖勒说："我们现在正努力模拟大量天体，从行星到卫星和岩石，以及它们如何在长时间尺度上运动。我们希望注入近距离相遇的情景，并以更高的精度研究它们的影响。"

伊利诺伊州立大学物理学副教授马特-卡普兰（Matt Caplan）说："这是他们提出的一个非常巧妙的测试，它可以告诉我们最近的黑洞是否比我们意识到的更近。我需要强调的是，这其中也有一点运气成分。搜索是否能找到响亮而清晰的信号，取决于游荡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，他们必须做最难的部分--检查真实数据。"

编译自/scitechdaily