Primordiale ‘kogels’ van zwarte gaten, die zich met snelheden die 7.000 keer sneller zijn dan de geluidssnelheid, kunnen mogelijk ons zonnestelsel binnendringen – en misschien een lichte schommeling in de beweging van Mars veroorzaken. Uiteindelijk kan het meten van deze fluctuatie een van de meest urgente mysteries in de wetenschap helpen oplossen: de ware aard van donkere materie.
Wetenschappers geloven dat oorspronkelijke zwarte gaten aan het begin der tijden zijn ontstaan. Deze objecten zijn heel anders dan zogenaamde ‘astrofysische zwarte gaten’ zoals Sagittarius A* (Sgr A*), die zich in het hart van de Melkweg bevindt. Terwijl Boogschutter A* bijvoorbeeld een massa heeft van ongeveer 4,3 miljoen Vermoedelijk waren de oorspronkelijke zwarte gaten zo massief als een asteroïde of een kleine maan, en veel kleiner dan atomen, met een massa van ongeveer 200 keer die van de zon.
Sommige wetenschappers veronderstellen ook dat klonten van deze kleine zwarte gaten verantwoordelijk kunnen zijn voor donkere materie, de meest mysterieuze ‘materie’ in het universum. Anderen beweren echter dat oorspronkelijke zwarte gaten al lang geleden zijn verdampt door zogenaamde ‘Hawking-straling’ uit te zenden, wat betekent dat ze in het moderne universum niet als donkere materie kunnen worden beschouwd. Nu stelt een team van natuurkundigen een manier voor om het debat te beslechten: door middel van gedetailleerde observaties van Mars.
Wetenschappers suggereren dat als oorspronkelijke zwarte gaten donkere materie vormen, ze minstens eens in de tien jaar snel door het zonnestelsel zouden moeten gaan. Deze scheervlucht kan een ‘wiebel’ in de baan van Mars veroorzaken die met de huidige technologie kan worden gedetecteerd, dankzij onze zorgvuldige documentatie van de baan van de Rode Planeet.
Gerelateerd aan: Een nieuw galactisch beeld gemaakt door de Dark Energy Camera verkent het centrum van donkere materie
“Dankzij tientallen jaren van precisie op het gebied van telemetrie kennen wetenschappers de afstand tussen de aarde en Mars met een nauwkeurigheid van ongeveer 10 centimeter.” [3.9 inches]”Teamlid David Kaiser, hoogleraar geschiedenis van de wetenschap aan het MIT, Dat zei hij in een verklaring“We maken gebruik van dit zeer geïnstrumenteerde gebied van de ruimte om te proberen een klein effect te vinden.
“Als we dat zien, zal dat een echte reden zijn om door te gaan met het nastreven van dit interessante idee dat alle donkere materie bestaat uit zwarte gaten die minder dan een seconde na de oerknal zijn ontstaan en al 14 miljard jaar door het universum stromen. ”
Groot probleem, kleine oplossing
Om te begrijpen waarom donkere materie zo’n groot probleem is voor natuurkundigen, moeten we bedenken dat het een factor vijf op één zwaarder weegt dan ‘gewone’ deeltjes. Dit betekent dat elke ster, planeet, maan, asteroïde, gaswolk, raket, satelliet of ruimtevaartuig waarover u leest op Space.com of waarneemt via uw achterste telescoop minder dan 20% van de totale massa van het universum uitmaakt.
Wetenschappers weten dat donkere materie niet uit atomen kan bestaan, die op hun beurt weer uit protonen, neutronen en elektronen bestaan. Dit komt omdat deze deeltjes interageren met licht, of beter gezegd met elektromagnetische straling. Donkere materie heeft geen interactie met licht – of als dat wel het geval is, vindt deze interactie te zwak plaats om te worden gedetecteerd. Dit maakt donkere materie vrijwel onzichtbaar voor ons. In plaats daarvan kunnen wetenschappers het bestaan van donkere materie alleen afleiden uit de interactie met de zwaartekracht en hoe deze interactie lichte en gewone materie beïnvloedt – zoals de 642 miljoen biljoen ton materie waaruit Mars bestaat!
Tot nu toe concentreerde de zoektocht naar kandidaten voor donkere materie zich op deeltjes die nog niet ontdekt zijn. Maar naarmate dit onderzoek geavanceerder wordt (maar nog steeds met lege handen eindigt), wenden wetenschappers zich steeds meer tot een idee dat voor het eerst in de jaren zeventig werd voorgesteld: donkere materie is misschien helemaal geen deeltje, maar in plaats daarvan kleine zwarte gaten die zijn overgebleven uit de Grote Knal.
Deze oorspronkelijke zwarte gaten zouden niet ontstaan uit de ineenstorting van massieve sterren, zoals zwarte gaten met een stellaire massa, of een samensmeltingsketen vormen van steeds massievere paren van zwarte gaten, zoals superzware zwarte gaten dat doen. In plaats daarvan moeten oorspronkelijke zwarte gaten, als ze bestaan, gevormd zijn uit dichte gasbellen in het vroege heelal, waarbij de snelle uitdijing van het heelal ervoor zorgde dat ze over de ruimte verspreid werden.
Het nadenken over de zwaartekrachtsinvloed van zo’n primordiaal zwart gat begon met ijdele speculatie.
“Ik denk dat iemand mij heeft gevraagd wat er zou gebeuren als een primordiaal zwart gat door een menselijk lichaam zou gaan”, zegt teamleider Tung Tran, een afgestudeerde student aan Stanford University. Dat zei hij in een verklaring.
Op basis van deze vraag berekende Tran dat als een zwart gat met de massa van een asteroïde binnen een straal van 1 meter van een persoon zou passeren, de kracht die hij beweerde die persoon in één seconde 6 meter zou duwen. Dus waarom gebeurt dit gelukkig niet? Welnu, Tran ontdekte ook dat de kans dat een primordiaal zwart gat ergens in de buurt van een persoon op aarde zou passeren extreem klein is.
Dit intrigeerde Tran en hij concludeerde dat je, om de kans op een dergelijke reactie te vergroten, een object nodig hebt dat groter en breder is dan een persoon. Maar hoe groter het object, hoe kleiner het effect.
Een primordiaal zwart gat ontmoet Mars
Tran wendde zich eerst tot het Aarde/Maan-systeem.
“We hebben geëxtrapoleerd wat er zou gebeuren als een zwart gat dicht bij de aarde zou passeren en de maan een beetje zou laten trillen,” zei Tran. “De cijfers die we kregen waren niet erg duidelijk. Er zijn veel andere dynamieken in het zonnestelsel die als een soort wrijving kunnen fungeren en trillingsdemping kunnen veroorzaken.”
Om dit evoluerende beeld te helpen verduidelijken, hebben onderzoekers een eenvoudige simulatie van het zonnestelsel gemaakt, waarbij rekening wordt gehouden met zwaartekrachtinteracties tussen de planeten en de grootste manen in onze kosmische ondergang.
“Moderne simulaties van het zonnestelsel omvatten meer dan een miljoen objecten, elk met een klein resteffect”, zegt teamlid en MIT Pappalardo-collega Benjamin Lehman. Dat zei hij in een verklaring“Maar zelfs als we twintig objecten in een nauwkeurige simulatie modelleren, kunnen we een reëel effect zien waar we dieper op kunnen ingaan.”
Het team schatte vervolgens het aantal keren dat een primordiaal zwart gat theoretisch door het zonnestelsel zou kunnen gaan, gegeven de hoeveelheid donkere materie die naar schatting in het gebied rond de zon voorkomt.
“Oerste zwarte gaten leven niet in het zonnestelsel, maar stromen door het universum en doen wat ze willen”, zegt Sarah Geller, een teamlid en postdoctoraal onderzoeker aan de UC Santa Cruz, in de verklaring is dat ze door het binnenste zonnestelsel gaan.” “Eens in de tien jaar onder een hoek.”
Door de doorgangssnelheid van oorspronkelijke zwarte gaten te berekenen en rekening te houden met de massa van de kandidaten voor donkere materie op asteroïdeschaal, kwam het team tot de conclusie dat deze kleine zwarte gaten met een verbazingwekkende snelheid van 9,5 miljoen kilometer per uur door het zonnestelsel zouden razen, ofwel ongeveer 7.000 keer sneller dan de geluidssnelheid.
Door zich te concentreren op de ‘nauwe ontmoetingen’ tussen deze concurrerende zwarte gaten en objecten in het zonnestelsel, ontdekte het team dat Mars feitelijk een beter doelwit is dan de aarde of de maan – tenminste één die een beter beeld schetst van de interacties waarin het team geïnteresseerd is. .
Het team ontdekte dat als een primordiaal zwart gat binnen een paar honderd miljoen kilometer van Mars zou passeren, dit de baan van de rode planeet zou vertekenen. Om te illustreren hoe klein dit is: Mars bevindt zich op ruim 220 miljoen kilometer afstand van de aarde, een afstand die ongeveer 225 biljoen keer groter is dan het voorgestelde effect.
Het team is echter van mening dat instrumenten die momenteel Mars observeren al zo’n kleine anomalie zouden kunnen detecteren.
Maar zelfs als deze anomalie binnen de komende decennia wordt waargenomen, zullen wetenschappers nog steeds moeten bevestigen dat deze inderdaad werd veroorzaakt door een primordiaal zwart gat en niet door een passerende asteroïde met dezelfde massa.
“We hebben zoveel mogelijk duidelijkheid nodig over de verwachte achtergronden, zoals de typische snelheden en verdelingen van boorgesteenten in de ruimte, vergeleken met deze oorspronkelijke zwarte gaten,” zei Kaiser. “Gelukkig voor ons volgen astronomen al tientallen jaren gewone ruimtegesteenten terwijl ze door ons zonnestelsel gaan,” zei Kaiser “Dus we kunnen typische eigenschappen van hun trajecten berekenen en ze vergelijken met de zeer verschillende soorten trajecten en snelheden die oorspronkelijke zwarte gaten zouden moeten volgen.”
“Het is een zeer elegante test die ze hebben voorgesteld en die ons kan vertellen of het dichtstbijzijnde zwarte gat dichterbij is dan we beseffen”, zegt Matt Kaplan, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Illinois State University, die niet bij het onderzoek betrokken was. stelling. “Ik moet benadrukken dat er ook een beetje geluk bij betrokken is. Of de zoektocht al dan niet een luid en duidelijk signaal vindt, hangt af van het exacte pad dat het zwervende zwarte gat door het zonnestelsel volgt.”
“Nu ze dit idee hebben bevestigd met behulp van simulatie, moeten ze het moeilijkste deel doen: de echte gegevens verifiëren.”
Het onderzoek van het team werd dinsdag (17 september) gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling d.
