觀察火星軌道隨時間的變化，可能是探測流逝的暗物質的新方法。麻省理工學院的物理學家提出，宇宙大爆炸後形成的原始黑洞可能構成宇宙暗物質的大部分。這些黑洞可能透過它們對火星軌道的影響而被探測到，這要歸功於當今可用的精確距離測量。這項發現將大大推進我們對暗物質及其起源的理解。

一幅藝術家繪製的插圖描繪了一個原始黑洞（左圖）飛過，並短暫”擺動”火星軌道（右圖），背景是太陽。麻省理工學院的科學家說，這種擺動可以被現在的儀器偵測到。圖片來源：本傑明-萊曼（Benjamin Lehmann）使用SpaceEngine @ Cosmographic Software LLC 繪製。

在一項新的研究中，麻省理工學院的物理學家提出，如果宇宙中的大部分暗物質都是由微小的原始黑洞組成的–這個想法最早是在20 世紀70 年代提出的–那麼這些引力侏儒應該至少每十年一次就飛越我們的太陽系。研究人員預測，這樣的飛越會為火星軌道帶來擺動，而這種擺動的程度是今天的技術所能真正探測到的。

這樣的探測結果可以為原始黑洞是整個宇宙暗物質的主要來源提供支持。

研究報告的作者、麻省理工學院物理學教授兼格爾木斯豪森科學史教授戴維-凱澤（David Kaiser）說：”經過數十年的精密遙測，科學家們對地球與火星之間距離的了解已經精確到大約10 公分。組成，它們在宇宙大爆炸後不到一秒的時間內產生，並在宇宙中流淌了140億年。

凱澤和他的同事們於9月17日在《物理評論D》雜誌上報告了他們的研究成果。研究的共同作者包括第一作者、現為史丹佛大學研究生的24歲的Tung Tran；現為加州大學聖克魯茲分校博士後的12歲的Sarah Geller、17歲的SM、23歲的PhD；以及麻省理工學院帕帕拉多研究員Benjamin Lehmann。

從恆星、行星到廚房水槽，所有物理物質中只有不到20% 是由可見物質構成的。其餘的物質由暗物質組成，暗物質是一種假想的物質形式，在整個電磁波譜中都是不可見的，但卻被認為瀰漫在宇宙中，並產生足以影響恆星和星系運動的引力。

物理學家在地球上架設了探測器，試圖發現暗物質並確定其特性。在大多數情況下，這些實驗都假定暗物質是以一種奇異粒子的形式存在的，當它通過特定實驗時，可能會散射並衰變成可觀測的粒子。但迄今為止，這種基於粒子的搜尋一無所獲。

近年來，20 世紀70 年代首次提出的另一種可能性再次受到關注：暗物質不是以粒子的形式存在，而是以微觀的原始黑洞的形式存在，這種黑洞是在宇宙大爆炸後的最初時刻形成的。與老恆星坍縮形成的天文物理黑洞不同，原始黑洞是由宇宙早期的緻密氣團坍縮形成的，並隨著宇宙的膨脹和冷卻散佈到整個宇宙。

這些原始黑洞會將巨大的質量坍縮到極小的空間。這些原始黑洞的大部分可能小如一個原子，重如最大的小行星。那麼，可以想像，這種微小的巨物可能會產生一種引力，至少可以解釋部分暗物質。對於麻省理工學院的研究團隊來說，這種可能性提出了一個最初很無聊的問題。

“我記得有人問過我，如果一個原始黑洞穿過人體會發生什麼。”Tung回憶說，他用紙筆快速計算了一下，發現如果這樣一個黑洞在距離人1米的範圍內閃過，黑洞的力量會在一秒鐘內把人推到6公尺遠的地方，也就是大約20英尺遠的地方。他也發現，原始黑洞從地球上任何地方經過人附近的可能性微乎其微。

研究人員被激起了興趣，他們將Tung 的計算進一步推進，估算黑洞飛掠可能對地球和月球等更大天體產生的影響。

Tung說：”我們進行了推斷，看看如果一個黑洞飛過地球，導致月球晃動一下會發生什麼。我們得到的數字不是很清楚。太陽系中還有許多其他的動力學因素，可能會起到某種摩擦作用，導致擺動減弱。

為了更清楚地了解情況，研究小組產生了一個相對簡單的太陽系模擬，其中包含了所有行星和一些最大衛星之間的軌道和引力相互作用。

雷曼指出：”最先進的太陽系模擬包括100 多萬個天體，每個天體都有微小的殘餘效應。但是，即使在仔細的模擬中對二十幾個天體進行建模，我們也可以看到存在著我們可以深入研究的真實影響。

研究小組根據特定空間區域內暗物質的估計數量和黑洞的質量，計算了原始黑洞穿過太陽系的速度，在這種情況下，他們假定黑洞的質量與太陽系中最大的小行星一樣大，這與其他天文物理學約束條件是一致的。

“原始黑洞並不生活在太陽系。相反，它們在宇宙中流動，做著自己的事情，”合著者莎拉-蓋勒說。 “而機率是，它們每10年左右就會以某個角度穿過內太陽係一次”。

考慮到這一速度，研究人員模擬了各種小行星質量的黑洞從不同角度以大約每秒150 英里的速度飛過太陽系。 (這些方向和速度來自對整個銀河系暗物質分佈的其他研究）。他們將目標鎖定在那些看似”親密接觸”的飛越上，或是那些會對周圍物體造成某種影響的飛越。他們很快就發現，地球或月球受到的任何影響都太不確定，無法歸因於某個特定的黑洞。但火星似乎提供了一個更清晰的圖像。

研究人員發現，如果一個原始黑洞在距離火星幾億英里的範圍內經過，那麼這次相遇將引發火星軌道的”擺動”或輕微偏移。在相遇後的幾年內，火星的軌道應該會偏移大約一公尺——鑑於火星距離地球超過1.4 億英里，這種晃動小得令人難以置信。然而，今天監測火星的各種高精度儀器都能探測到這種擺動。

研究人員承認，如果在未來幾十年內探測到這樣的擺動，仍有許多工作要做，以確認推動力來自一個經過的黑洞，而不是一顆普通的小行星。

凱澤指出：「我們需要盡可能清楚地了解預期背景，例如無聊的太空岩石與這些原始黑洞的典型速度和分佈。對我們來說幸運的是，天文學家幾十年來一直在追蹤普通太空岩石飛過太陽系的軌跡，因此我們可以計算出它們軌蹟的典型屬性，並開始將它們與原始黑洞應該遵循的截然不同的路徑和速度類型進行比較。

為了幫助實現這一目標，研究人員正在探索與一個小組進行新合作的可能性，該小組擁有模擬太陽系中更多天體的豐富專業知識。

蓋勒說：「我們現在正努力模擬大量天體，從行星到衛星和岩石，以及它們如何在長時間尺度上運動。我們希望注入近距離相遇的情景，並以更高的精度研究它們的影響。 “

伊利諾伊州立大學物理學副教授馬特-卡普蘭（Matt Caplan）說：”這是他們提出的一個非常巧妙的測試，它可以告訴我們最近的黑洞是否比我們意識到的更近。我需要強調的是，這其中也有一點運氣成分。真實數據。

編譯自/ scitechdaily