Minimonstra
Czarne dziury o wielkości atomu i masie planetoidy mogą przelatywać przez wewnętrzny Układ Słoneczny mniej więcej raz na dekadę. Hipotetycznie powstała tuż po Wielkim Wybuchu, ta odmiana tzw. pierwotnych czarnych dziur mogłaby wyjaśniać brakującą ciemną materię, o której sądzi się, że dominuje w naszym Wszechświecie. Nowe badanie pokazuje, że jeśli przemkną one obok Księżyca lub Marsa, naukowcy powinni móc je wykryć.
Takie czarne dziury mogły z łatwością powstać zaraz po narodzinach Wszechświata, kiedy to, jak się uważa, w ułamku sekundy przestrzeń gwałtownie się rozszerzyła. Podczas tej ekspansji niewielkie fluktuacje kwantowe gęstości przestrzeni mogłyby wzrosnąć, a niektóre miejsca mogłyby stać się tak gęste, że zapadłyby się w czarne dziury rozrzucone po całym kosmosie. Jeśli takie czarne dziury w pełni odpowiadałyby za ciemną materię, to według niektórych modeli ich najbardziej prawdopodobna masa wynosiłaby od 1017 do 1023 g – mniej więcej tyle, co masa dużej planetoidy, ściśniętej do rozmiarów atomu.
Według najnowszego badania opublikowanego w „Physical Review D”, jeśli pierwotne czarne dziury są odpowiedzialne za ciemną materię, jedna z nich przelatuje przez Układ Słoneczny średnio co około 10 lat. Gdyby zbliżyła się do planety lub dużego księżyca, powinna zepchnąć ten obiekt z kursu wystarczająco, aby zmiana była mierzalna obecnymi instrumentami. „Gdy czarna dziura przelatuje obok planety, ta zaczyna się chwiać” – mówi współautorka badania Sarah R. Geller, fizyczka teoretyczna z University of California w Santa Cruz. „Przez kilka lat chybotanie będzie się nasilać, ale w końcu ulegnie wytłumieniu”.
Główny autor badania Tung X. Tran, wówczas student MIT, stworzył komputerowy model Układu Słonecznego, aby przekonać się, jak zmieniłaby się odległość między Ziemią a pobliskimi obiektami po przelocie czarnej dziury. Stwierdził, że taki efekt byłby najbardziej zauważalny w przypadku Marsa, którego odległość od Ziemi naukowcy znają z dokładnością do około 10 cm. Czarna dziura o masie mieszczącej się w środku przewidywanego zakresu wywołałaby w ciągu trzech lat zmiany rzędu od jednego do trzech metrów, co, jak twierdzi Tran – „znacznie przekracza próg precyzji obecnych pomiarów”.
Jeśli naukowcy wykryją zakłócenie, będą musieli ustalić, czy planeta została pchnięta przez czarną dziurę, czy przez starą planetoidę. Śledząc przebieg chybotania w czasie, mogą prześledzić trajektorię winowajcy i przewidzieć, dokąd skieruje się w przyszłości. „Musielibyśmy przekonać samych siebie, że to naprawdę czarna dziura, mówiąc obserwatorom, gdzie mają patrzeć” – wyjaśnia współautor badania Benjamin V. Lehmann z MIT. Planetoidy powinny być dostrzeżone przez teleskop i zapewne orbitowałyby w tej samej płaszczyźnie, co planety, natomiast pierwotna czarna dziura nadlatywałaby z daleka, a jej trajektoria prawdopodobnie różniłaby się od trajektorii planetoidy.
Innym potencjalnym sposobem poszukiwania pierwotnych czarnych dziur w Układzie Słonecznym byłaby analiza drobnych ruchów planetoid, takich jak Bennu, którą bardzo precyzyjnie śledzi trwająca misja kosmiczna OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-Regolith Explorer; Pochodzenie, Interpretacja Spektralna, Identyfikacja Zasobów, Bezpieczeństwo–Badacz Regolitu). „Myślę, że powinniśmy spróbować przekopać się przez dane OSIRIS-REx, aby sprawdzić, czy ten efekt można zaobserwować” – mówi po przeczytaniu nowej pracy Yu-Dai Tsai, astrofizyk z Los Alamos National Laboratory. W niedawnym artykule w „Nature Communications Physics” Tsai i jego koledzy opisali, w jaki sposób pomiary Bennu wykonane przez sondę mogą zostać wykorzystane do poszukiwania innych form ciemnej materii.
Pierwotne czarne dziury stają się coraz atrakcyjniejszym rozwiązaniem zagadki ciemnej materii – niewidzialnej masy, która zdaniem fizyków stanowi większość materii w naszym Wszechświecie. Ponieważ mogą oni „zobaczyć” tę materię tylko poprzez jej grawitacyjny wpływ na materię zwykłą, jej tożsamość pozostaje nieznana, gdyż wiele faworyzowanych teorii się nie sprawdziło. Przez dziesięciolecia fizycy uważali, że ciemna materia może przybierać formę tzw. słabo oddziałujących masywnych cząstek (weakly interacting massive particles; WIMP-y), jednak próby ich wykrycia przez generacje coraz bardziej czułych eksperymentów okazały się bezowocne, a akceleratory cząstek również nie wykazały ich obecności. „Trwa dyskusja, ponieważ WIMP-y, przez dziesięciolecia będące dominującym paradygmatem, zostały zagonione do narożnika – mówi astrofizyk Kevork N. Abazajian z University of California w Irvine, który nie był zaangażowany w pracę z Physical Review D. – Pierwotne czarne dziury naprawdę zyskują na popularności”.
Fizycy zdają sobie również sprawę, że ciemna materia może nie wchodzić w interakcję ze zwykłą materią za pomocą oddziaływania innego niż grawitacja. W przeciwieństwie do WIMP-ów, które mogłyby również oddziaływać ze zwykłą materią poprzez słabe oddziaływanie jądrowe, czarne dziury byłyby wykrywalne tylko dzięki ich przyciąganiu grawitacyjnemu. „Jeśli wziąć pod uwagę, że wciąż szukamy właściwego sposobu wykrywania, jak ciemna materia oddziałuje z materią zwykłą, szczególnie ważne jest zbadanie metod opartych na wytwarzanej przez nią grawitacji, która jest jedyną znaną interakcją ciemnej materii i jedyną interakcją, co do której mamy pewność, że istnieje” – mówi fizyk teoretyczny Tim M.P. Tait z University of California w Irvine, który również nie brał udziału w badaniu.
Tak się złożyło, że w tym samym numerze „Physical Review D” ukazał się również artykuł innego zespołu o poszukiwaniu śladów pierwotnych czarnych dziur przelatujących w pobliżu Ziemi. Symulacje przeprowadzone przez naukowców wykazały, że takie sygnały mogą być wykrywalne w danych orbitalnych pochodzących z Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnej, a także z grawimetrów mierzących zmiany w ziemskim polu grawitacyjnym. Jak mówi współautor pracy dotyczącej pomiarów odległości międzyplanetarnych David I. Kaiser z MIT, oba artykuły wzajemnie się uzupełniają.
Chociaż takie czarne dziury mogą przelatywać stosunkowo niedaleko, szanse na to, że jedna z nich przejdzie przez ludzkie ciało, są niewielkie. Jeżeli jednak by do tego doszło, nie byłoby to przyjemne doświadczenie: gdyby czarna dziura przemieściła się przez człowieka, przyciągnęłaby do siebie wszystko, miażdżąc komórki. Na szczęście z powodu jej miniaturowej objętości nie zostałby jednak wessany do jej wnętrza.