Novi model pokazuje kako bi prolaz hipotetskih crnih rupa iz ranog svemira mogao ostaviti trajan gravitacijski trag na udaljenim planetarnim sustavima.
Iako se naš Sunčev sustav doima stabilnim i dinamički mirnim, brojni su kozmički scenariji koji bi mogli narušiti tu ravnotežu. Dovoljna masa — ako joj je prilaz dovoljno blizak — može trajno poremetiti orbitu planeta. Među takvim potencijalno destabilizirajućim objektima nalaze se i primordijalne crne rupe (PBH), hipotetski ostaci ranog svemira.
Za razliku od crnih rupa koje nastaju kolapsom masivnih zvijezda, PBH-ovi su zamišljeni kao objekti koji su se formirali neposredno nakon Velikog praska, tijekom gravitacijskog urušavanja džepova ekstremno guste subatomske tvari — u razdoblju prije nego što su uopće zasjale prve zvijezde.
Nedavno objavljena analiza na otvorenom serveru arXiv istražuje koliko su takvi susreti vjerojatni i koliki bi njihov utjecaj mogao biti. Istraživanje su proveli Garett Brown iz tvrtke Xanadu Quantum Technologies, uz suradnike sa Sveučilišta Harvard i Sveučilišta Illinois.
Hipoteza s dugom poviješću
Prvi put predloženi još 1966. godine, primordijalne crne rupe dosad nisu opažene, ali ponovno dobivaju pažnju zbog nekoliko neobičnih rezultata u ranom svemiru. Neki znanstvenici predlažu da bi mogle objasniti neočekivano masivne galaksije koje je detektirao svemirski teleskop James Webb, kao i da bi mogle predstavljati značajan — možda čak i dominantan — udio u tamnoj tvari.
Ako postoje, PBH-ovi bi mogli imati masu poput asteroida, dok bi im promjer bio manji od atoma. Neki bi mogli biti i mnogo masivniji, jer za razliku od zvjezdanih crnih rupa, nisu ograničeni masenim pragovima zvjezdanih kolapsa. Također, kretali bi se velikim brzinama — i ako su stvarni, u svakom trenutku bi se jedan mogao nalaziti unutar granica Sunčevog sustava.
“Razmatramo mogućnost da, ako u galaksiji postoji značajna populacija primordijalnih crnih rupa, one također mogu utjecati na orbite egzoplaneta,” pišu autori.
“U pojednostavljenom modelu, numerički istražujemo koliko bi planetarnih sustava moglo doživjeti bliski susret s PBH-om i kakve bi bile moguće promjene orbitalnih parametara u tim sustavima.”
Tročlani sustavi i impulzivni prolazi
U središtu simulacija nalazi se klasičan gravitacijski trokut: zvijezda, planet i prolazeće primordijalne crne rupe. Takav susret omogućuje razmjenu energije između sustava i objektom u prolazu, što može rezultirati promjenom oblika orbite planeta.
“Ovi prolazi razmjenjuju energiju sa sustavom zvijezda–planet i mogu perturbirati orbitu planeta,” pojašnjavaju autori.
“Iako studiju formuliramo u kontekstu primordijalnih crnih rupa, zaključci vrijede i za druge kompaktne masivne objekte jer su rezultati određeni isključivo gravitacijskim utjecajem.”
Danas znamo za više od 5.500 potvrđenih egzoplaneta, no kako bi se detektirali znakovi takvih prolaza, astronomi bi trebali raspolagati vrlo preciznim mjerenjima orbitalnih parametara kroz vrijeme — što trenutno nije izvedivo.
“Bez obzira na izazove promatranja i modeliranja formacije, zanimljivo je razmotriti mogućnost da orbite planeta u kasnijim fazama mogu biti oblikovane prolazima masivnih egzotičnih objekata kroz gravitacijsko područje zvijezde,” dodaju istraživači.
Impulzivno ili postupno?
Autori su modelirali prolaz PBH-a kroz sustav s jednom zvijezdom i jednim planetom s orbitom nalik Jupiterovoj. Zbog velikih brzina, susreti s PBH-ovima klasificirani su kao impulzivni — za razliku od adiabatskih susreta gdje bi se orbita postupno prilagodila novom gravitacijskom okruženju.
“Fokusiramo se na scenarij u kojem PBH prolazi kroz sustav samo jednom, bez zarobljavanja,” navode u radu.
Kako bi kvantificirali moguće posljedice, autori postavljaju tri pitanja:
-
Koliko PBH-ova, ovisno o udaljenosti od galaktičkog središta, ulazi u lokalno gravitacijsko okruženje jedne zvijezde?
-
Ako PBH uđe u to područje, kolika je vjerojatnost da dođe dovoljno blizu da značajno utječe na orbitu planeta?
-
Ako se taj utjecaj dogodi, kakve su promjene u orbitalnim parametrima planeta?
“Odgovarajući na ta tri pitanja, želimo procijeniti mogu li PBH-ovi značajno utjecati na orbite egzoplaneta,” zaključuju autori.
Tri ključna grafa
Slika 1 prikazuje vjerojatnost da PBH s početne udaljenosti od 20, 25 ili 30 parseka prođe unutar zadane udaljenosti najbližeg prilaza (α) zvijezdi. Za Jupiterove orbite, α = 15 AJ predstavlja prag za impulzivnu perturbaciju.
Slika 2 prikazuje kumulativni broj takvih prolazaka unutar 15 AJ za cijelu galaksiju, u ovisnosti o udaljenosti od galaktičkog središta. Pod pretpostavkom postojanja 3 milijuna PBH-ova u Mliječnoj stazi, rezultati sugeriraju desetke tisuća takvih susreta kroz galaktičku povijest.
Slika 3 donosi raspodjelu promjena ekscentriciteta u orbitama planeta nakon PBH prolaza. Većina simulacija pokazuje male poremećaje, no u manjim slučajevima ekscentricitet se mijenja i za više od 0,3.
Možemo li to detektirati?
Zasad ne. Unatoč tome što su modeli dosta dobri, promatranja nisu dovoljno precizna za testiranje ove hipoteze.
“U načelu, precizna mjerenja orbitalnih parametara mogla bi se koristiti za procjenu brojnosti primordijalncih crnih rupa,” pišu Brown i kolege. “No u praksi, velika nesigurnost u promatranjima i modeli formacije planeta predstavljaju ozbiljne prepreke.”
Ako budući instrumenti uspiju generirati dugoročne, precizne kataloške podatke o orbitama egzoplaneta, astronomi bi mogli početi ograničavati ili potvrđivati postojanje ovih misterioznih objekata kroz njihov gravitacijski otisak.
“Iako ne očekujemo da ćemo u skoroj budućnosti moći ograničiti populaciju primordijalnih crnih rupa pomoću promatranja egzoplaneta, ovaj rad postavlja temeljna pravila kako bi se to jednog dana moglo učiniti,” zaključuju autori.
Ivan je novinar, bloger i autor s više od 15 godina iskustva u digitalnim medijima. Piše o širokom spektru tema, uključujući svemir, astronomiju, znanost, povijest i arheologiju. Objavljuje kao gostujući autor u Večernjem listu, a kao stručni sugovornik gostovao je u emisijama na kanalima Science Discovery i History Channel. Osnivač je portala Kozmos.hr, prvog hrvatskog online magazina posvećenog popularizaciji znanosti i svemira.
