Znanstvenici su došli do zanimljivih otkrića koja sugeriraju da bi tamna tvar, nevidljivi oblik materije koji čini većinu mase u Svemiru, mogla biti sastavljena od primordijalnih crnih rupa. Te crne rupe mogle su nastati manje od trilijuntog dijela sekunde nakon Velikog praska, kada su rijetka područja Svemira imala gustoću zračenja iznad kritične vrijednosti. Ta je gustoća mogla nadjačati kozmičku ekspanziju i uzrokovati kolaps tih područja u primordijalne crne rupe.
Tamna tvar ne emitira svjetlost, što je čini nevidljivom, a čini oko 85% ukupne mase u Svemiru. Minimalna masa današnjih primordijalnih crnih rupa iznosi više od milijardu tona, pri čemu je vrijeme potrebno za isparavanje putem Hawkingovog zračenja dulje od starosti Svemira. Međutim, primordijalne crne rupe mase veće od 10.000 trilijuna tona isključene su iz teorije tamne tvari jer bi njihova prisutnost privremeno osvijetlila pozadinske zvijezde, što je suprotno opažanjima.
Profesor Avi Loeb nedavno je objavio novi rad u kojem tvrdi da bi veliki dio preostalog raspona masa primordijalnih crnih rupa kao potencijalnih sastojaka tamne tvari mogao biti isključen na temelju dinamičkih podataka iz Sunčevog sustava.
Sunčev sustav kao laboratorij za istraživanje tamne tvari
U prethodnom istraživanju korišteni su podaci iz efemerida Sunčevog sustava kako bi se ograničila vremenska promjena ukupne mase unutar radijusa od 50 astronomske jedinice (udaljenost Zemlja-Sunce). Podaci uključuju precizne pozicije i brzine Sunca, Mjeseca, osam planeta, Plutona, tri najveća asteroida (Ceres, Pallas, Vesta) te četiri trans-neptunska objekta (Eris, Haumea, Makemake, Sedna), pokrivajući više od 400 godina opažanja.
Poznato je da Sunce gubi masu kroz zračenje, neutrine i solarni vjetar, dok manju količinu mase dobiva kroz padanje međuzvjezdane materije. Ipak, podaci iz efemerida pokazuju da se ukupna masa unutar 50 astronomske jedinice nije promijenila za više od 50 kvadrilijunti Sunčeve mase godišnje u proteklim desetljećima.
Ako je tamna tvar doista sastavljena od primordijalnih crnih rupa, prolaz takve crne rupe kroz unutarnji dio Sunčevog sustava izazvao bi privremenu fluktuaciju gravitacijskog polja koja bi utjecala na orbite svih objekata u Sunčevom sustavu izvan te crne rupe. Profesor Loeb proučio je kako ova ograničenja utječu na mogućnost da primordijalne crne rupe čine tamnu tvar u rasponu mase od 1 do 10.000 trilijuna tona.
Dinamički učinci i implikacije
Dinamika zvijezda u Mliječnoj stazi omogućava procjenu lokalne gustoće tamne tvari, koja iznosi 0,4 protonske mase po kubičnom centimetru. Tamna tvar se kreće brzinom od 257 kilometara u sekundi u odnosu na Sunce. Na temelju ove gustoće, može se izračunati koliko primordijalnih crnih rupa ulazi u područje unutar 50 astronomske jedinice.
Rezultati pokazuju da bi za crnu rupu mase 100 trilijuna tona, 10 takvih crnih rupa ušlo u to područje godišnje. Promjena unutarnje mase zbog jedne crne rupe već je red veličine iznad granice koju dopuštaju podaci iz efemerida. Vrijeme prolaska crne rupe kroz to područje iznosi otprilike godinu dana, što bi izazvalo fluktuaciju mase koja bi se mogla detektirati u podacima efemerida.
Prosječan broj primordijalnih crnih rupa unutar sfernog radijusa od 50 astronomske jedinice iznosi 12,6 za masu od 100 trilijuna tona. Slučajne fluktuacije koje se događaju na vremenskoj skali prolaska crne rupe imaju amplitudu četiri puta veću od granice koju postavljaju efemeride.
Ovi rezultati sugeriraju da primordijalne crne rupe ne mogu činiti tamnu tvar unutar većeg dijela ranije dopuštenog raspona masa u Sunčevom sustavu. Na gornjem kraju tog raspona, crna rupa mase 10.000 trilijuna tona očekuje se da uđe u područje unutar 50 astronomske jedinice jednom u desetljeću, a unutar osam puta te udaljenosti jednom u 400 godina. Na donjem kraju raspona, stotine primordijalnih crnih rupa mase šest trilijuna tona mogle bi biti prisutne unutar 50 astronomske jedinice u bilo kojem trenutku.
Sveukupno, dinamička ograničenja iz efemerida Sunčevog sustava isključuju značajan dio potencijalnog raspona masa primordijalnih crnih rupa kao sastojaka tamne tvari. Buduće simulacije mogle bi dodatno precizirati ova ograničenja, istražujući kako crne rupe s različitim masama utječu na efemeridne podatke.
