科学家发现探测暗物质流逝的新方法：观察火星轨道摆动

从恒星、行星到厨房水槽，只有不到 20% 的物理物质是由可见物质构成的，天文学家们继续假设宇宙中不可见的大部分物质是以什么形式存在的。 一种理论认为暗物质由弱相互作用的大质量粒子组成，而另一种理论则假设存在被称为轴子的亚原子粒子。

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。

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。

原始黑洞： 暗物质的新形式

现在，由圣克鲁斯粒子物理研究所（Santa Cruz Institute for Particle Physics ）博士后莎拉-盖勒（Sarah Geller）合著的一项新研究表明，半个多世纪前首次假设的另一种形式的暗物质大约每十年就会经过我们的太阳系一次。 这种形式被称为"原始黑洞"，它可能会导致火星轨道的摆动，而这种摆动的程度是当今技术所能探测到的。

原始黑洞的理论于 20 世纪 70 年代首次提出，它认为暗物质可能以微观形式存在，这是由宇宙早期高密度气体塌缩造成的。 因此，原始黑洞会在宇宙大爆炸后的最初时刻形成，并随着宇宙的膨胀和冷却而散布在宇宙中。

与老恒星坍缩形成的天体物理黑洞不同，理论家们认为原始黑洞是将巨大的质量坍缩到一个极小的空间里。 尽管它们不是由粒子构成的，但这些原始黑洞的大部分可能小到一个原子，重到最大的小行星。 可以想象，这样的小巨人所产生的引力至少可以解释部分暗物质。

通过太阳系模拟探索原始黑洞

"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，"盖勒说。"它们很可能以某种角度穿过内太阳系，每 10 年左右一次。"

盖勒曾是麻省理工学院的研究生，这项研究的大部分工作都是在麻省理工学院完成的。 在那里，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。 然后，他们根据特定空间区域中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大约每十年一次的速度。

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。 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）。

探测原始黑洞： 火星轨道摆动

他们把注意力集中在那些看起来是"近距离接触"的飞越，或者对周围物体造成某种影响的情况。 他们很快发现，对地球或月球的任何影响都太不确定了，无法将其归咎于某个特定的黑洞。 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"摆动"，或者说火星轨道的轻微偏移。 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晃动。

研究人员承认，如果在未来几十年内探测到这种摇摆，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。

暗物质研究结语

研究报告的合著者、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-凯泽说："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。幸运的是，天文学家几十年来一直在追踪普通的太空岩石，因为它们一直在太阳系中飞行。 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类型的路径和速度进行比较。"

为了帮助实现这一目标，研究人员正在探索与一个小组建立新伙伴关系的可能性，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："我们现在正在努力模拟大量天体，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邂逅的情景，并以更高的精度研究它们的影响。"

编译自/SciTechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevD.110.063533.