原始黑洞是宇宙暗物質最有力的候選者之一。在這種情況下，它們的豐度足以讓每十年至少有一個物體穿過內太陽系。麻省理工學院物理學家團隊表示，這樣的飛越會為火星軌道帶來擺動，其程度是當今技術實際上可以偵測到的。
特蘭等人。認為小行星質量的原始黑洞的豐度可以透過現有和近期的數據來探測。圖片來源：Sci.News / Zdeněk Bardon / ESO。
暗物質是一種假想的物質形式，它在整個電磁光譜中不可見，但被認為遍布宇宙並施加足夠大的引力來影響恆星和星系的運動。
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，這些實驗假設暗物質以一種奇異粒子的形式存在，當它通過給定的實驗時，它可能會散射並衰變成可觀測的粒子。但到目前為止，這種基於粒子的搜尋卻一無所獲。
近年來，在20 世紀70 年代首次提出的另一種可能性重新受到關注：暗物質不是以粒子形式存在，而是可能以微觀的原始黑洞的形式存在，這些黑洞是在大爆炸後的最初時刻形成的。
與老恆星坍塌形成的天文物理黑洞不同，太初黑洞可能是由早期宇宙中緻密氣體團的坍縮形成的，並且隨著宇宙的膨脹和冷卻而散佈在整個宇宙中。
這些原始黑洞會將大量質量塌陷到一個狹小的空間。
這些原始黑洞中的大多數可能小到單一原子，重到最大的小行星。
那麼可以想像，這樣的小巨星可以施加一種引力，可以解釋至少一部分暗物質。
在這項研究中，麻省理工學院的研究人員對太陽系進行了相對簡單的模擬，其中包含了所有行星以及一些最大衛星之間的軌道和引力相互作用。
「最先進的太陽系模擬包括超過一百萬個物體，每個物體都有微小的殘留效應，」論文的合著者本傑明·萊曼博士說。學習發表在期刊上物理評論D。
“但即使在仔細的模擬中對兩打物體進行建模，我們也可以看到我們可以深入研究的真實效果。”
該團隊根據估計存在於給定空間區域的暗物質數量和經過的黑洞的質量，計算了原始黑洞穿過太陽系的速度，在這種情況下，他們假設其質量與太陽系中最大的小行星一樣大，這與其他天文物理限制一致。
「太初黑洞並不存在於太陽系。相反，它們在宇宙中流動，做自己的事情，」該研究的合著者莎拉·蓋勒博士說。
“很可能，它們每十年左右就會以某種角度穿過內太陽係一次。”
考慮到這個速率，研究人員模擬了各種小行星質量黑洞從不同角度以每秒約 241 公里（150 英里）的速度飛過太陽系。
他們將注意力集中在那些看似近距離接觸的飛越，或是對周圍物體造成某種影響的情況。
他們很快就發現，地球或月球上的任何影響都太不確定，無法歸因於特定的黑洞。但火星似乎提供了更清晰的圖像。
作者發現，如果一個原始黑洞在距離火星幾億公里的範圍內經過，這次相遇會造成火星軌道的擺動或輕微偏差。
在這樣的相遇後的幾年內，火星的軌道應該會移動大約一公尺——考慮到這顆行星距離地球超過 2.25 億公里（1.4 億英里），這是一個令人難以置信的小擺動。
然而，這種擺動可以被當今監測火星的各種高精度儀器所偵測到。
如果在未來幾十年內檢測到這種擺動，科學家承認仍然需要做很多工作來確認推力來自一個經過的黑洞而不是普通的小行星。
該研究的資深作者、麻省理工學院教授戴維·凱澤（David Kaiser）表示：“我們需要盡可能清晰地了解預期的背景，例如鑽探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的太空岩石，因為它們飛過我們的太陽系，因此我們可以計算它們軌蹟的典型特性，並開始將它們與原始黑洞的非常不同類型的路徑和速度進行比較。
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陳同祥等人。 2024. 原始類型的近距離接觸：原始黑洞作為暗物質的新可觀測值。物理。修訂版D110（6）：063533； doi: 10.1103/PhysRevD.110.063533
本文是根據麻省理工學院的新聞稿。
