暗物質（可能以原始黑洞的形式存在）可能會透過對火星軌道的微妙影響來顯示自己的存在。 這些黑洞被認為是早期宇宙的殘留物，當它們穿過太陽系時，可能每十年就能被偵測到一次，這為研究難以捉摸的暗物質提供了一種新方法。

從恆星、行星到廚房水槽，只有不到20% 的物理物質是由可見物質構成的，天文學家繼續假設宇宙中看不見的大部分物質是以什麼形式存在的。 一種理論認為暗物質由弱相互作用的大質量粒子組成，而另一種理論則假設存在被稱為軸子的亞原子粒子。

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。

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。

原始黑洞： 暗物質的新形式

現在，由聖克魯斯粒子物理研究所（Santa Cruz Institute for Particle Physics ）博士後莎拉-蓋勒（Sarah Geller）合著的一項新研究表明，半個多世紀前首次假設的另一種形式的暗物質大約每十年就會經過我們的太陽系一次。 這種形式被稱為”原始黑洞”，它可能會導致火星軌道的擺動，而這種擺動的程度是當今技術所能探測到的。

原始黑洞的理論於20 世紀70 年代首次提出，它認為暗物質可能以微觀形式存在，這是由宇宙早期高密度氣體塌縮所造成的。 因此，原始黑洞會在宇宙大爆炸後的最初時刻形成，並隨著宇宙的膨脹和冷卻而散佈在宇宙中。

與老恆星坍縮形成的天文物理黑洞不同，理論家認為原始黑洞是將巨大的質量坍縮到極小的空間。 儘管它們不是由粒子構成的，但這些原始黑洞的大部分可能小到一個原子，重到最大的小行星。 可以想像，這樣的小巨人所產生的引力至少可以解釋部分暗物質。

透過太陽系模擬探索原始黑洞

“原始黑洞並不生活在太陽系中。相反，它們在宇宙中流動，做著自己的事情，”蓋勒說。 “它們很可能以某種角度穿過內太陽系，每10 年左右一次。”

蓋勒曾是麻省理工學院的研究生，這項研究的大部分工作都是在麻省理工學院完成的。 在那裡，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交互作用。 然後，他們根據特定空間區域中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大約每十年一次的速度。

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。 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）。

探測原始黑洞： 火星軌道擺動

他們把注意力集中在那些看起來是”近距離接觸”的飛越，或是對周圍物體造成某種影響的情況。 他們很快就發現，對地球或月球的任何影響都太不確定了，無法歸咎於某個特定的黑洞。 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”擺動”，或者說火星軌道的輕微偏移。 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晃動。

研究人員承認，如果在未來幾十年內探測到這種搖擺，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。

暗物質研究結語

研究報告的合著者、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-凱澤說：”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。的截然不同類型的路徑和速度進行比較。

為了幫助實現這一目標，研究人員正在探索與一個小組建立新夥伴關係的可能性，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：「我們現在正在努力模擬大量天體，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邂逅的情景，並以更高的精度研究它們的影響。 “

編譯自/ SciTechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevD.110.063533 .