Хотя наша Солнечная система и движение её планет кажутся относительно спокойными, существует множество факторов, которые могут нарушить этот баланс. Всё, что имеет достаточную массу и приблизится достаточно близко, может нарушить орбиты планет. К этому относится и гипотетические первичные чёрные дыры (PBH).
Первичные чёрные дыры — это теоретические объекты, которые сформировались в ранней Вселенной в результате гравитационного коллапса небольших областей чрезвычайно плотной субатомной материи. Это произошло вскоре после Большого взрыва, до появления звёзд.
Новое исследование объясняет, как первичные чёрные дыры могут повлиять на системы экзопланет, если они окажутся слишком близко. Исследование доступно на сервере препринтов arXiv и озаглавлено «The Potential Impact of Primordial Black Holes on Exoplanet Systems». Первый автор — Гаррет Браун из Xanadu Quantum Technologies, другие авторы — из Гарвардского университета и Университета Иллинойса.
Первичные чёрные дыры были впервые предложены в 1966 году и являются чисто гипотетическими. В последнее время некоторые учёные предложили, что они могут объяснить массивные галактики, обнаруженные JWST в ранней Вселенной. Они могут потенциально быть важными компонентами тёмной материи или даже полностью составлять тёмную материю.
Если они существуют, то могут быть такими же массивными, как астероиды, или маленькими, как атом. Некоторые из них могут быть намного массивнее, поскольку их масса не ограничена диапазоном масс чёрных дыр звёздной массы. Они движутся с высокими скоростями, и если они реальны, то одна из них, вероятно, движется через Солнечную систему в любой момент.
Исследователи пишут: «Мы изучаем возможность того, что если в нашей галактике есть значительная популяция первичных чёрных дыр, то они также могут влиять на орбиты экзопланет».
В основе этого лежат задачи трёх тел, где тела — это звезда, планета и первичная чёрная дыра. В этом случае первичная чёрная дыра совершает пролёт мимо двух других. «Такие пролёты обмениваются энергией с системой планета-звезда и могут возмущать орбиту планеты», — объясняют исследователи. «Хотя мы сформулируем наше исследование в терминах PBH, наши выводы должны быть надёжны для других компактных массивных объектов, поскольку результаты полностью определяются их гравитационным влиянием».
Мы знаем более чем о 5 000 подтверждённых экзопланетах, но для того, чтобы понять, на какие из них могли повлиять пролёты первичных чёрных дыр, необходимы высокоточные измерения и моделирование их распределённых орбитальных параметров. Это превышает возможности астрономов. Но тема увлекательная.
«Оставляя в стороне сложности, связанные с наблюдениями и моделированием формирования, интересно рассмотреть, как могут формироваться орбиты планет в поздние времена из-за взаимодействий между планетарными системами и временными близкими сближениями с массивными экзотическими астрофизическими объектами, которые вторгаются в радиус влияния родительской звезды», — пишут авторы. «Здесь мы представляем первый анализ этой интересной перспективы».
Команда смоделировала пролёты мимо первичной чёрной дыры и Солнечной системы с одной звездой и одной планетой. Поскольку ожидается, что первичные чёрные дыры будут двигаться с высокими скоростями, такие сближения считаются импульсивными, в то время как сближение с более медленным объектом считалось бы адиабатическим. В адиабатическом сближении планетарная орбита будет постепенно подстраиваться под изменяющееся гравитационное поле. В импульсивном сближении планетарная орбита будет нарушена очень внезапно.
Чтобы проверить, насколько правдоподобна идея пролётов первичных чёрных дыр, исследователи оценили количество пролётов в галактике и их типичные скорости. Для этого они основывались на Солнечной системе с одной звездой массой Солнца и планетой с орбитой, подобной орбите Юпитера, с точки зрения её эксцентриситета и большой полуоси.
«Мы фокусируемся на случае, когда вторгающаяся первичная чёрная дыра проходит через систему без захвата, то есть однократного «пролёта»», — объясняют исследователи.
Чтобы понять влияние, которое пролёты первичных чёрных дыр оказывают на эти юпитерианские системы, исследователи рассмотрели три вопроса:
«Отвечая на каждый из этих вопросов по очереди, мы изучим, могут ли первичные чёрные дыры (или подобные объекты) существенно влиять на орбиты экзопланет», — пишут авторы.
Они обнаружили, что, как и вторгающиеся звёзды, пролёты первичных чёрных дыр могут изменять орбиты планет. Как часто это происходит, зависит от масс первичных чёрных дыр и их обилия.
Поскольку мы не знаем, существуют ли первичные чёрные дыры, мы также не знаем, как они распространены и как часто они приближаются к солнечным системам. Команда смоделировала первичные чёрные дыры на разных расстояниях от моделируемых солнечных систем, чтобы увидеть, что произойдёт.
Несколько факторов ограничивают количество возможных первичных чёрных дыр в галактике. Обследования с помощью гравитационного микролинзирования накладывают некоторые ограничения, как и потенциальная аннигиляция тёмной материи. Исследователи остановились на 3 × 106 первичных чёрных дыр для всей галактики, или 3 миллиона.
На рисунке ниже показано совокупное количество пролётов первичных чёрных дыр в зависимости от увеличения расстояния до галактического центра. Результаты усреднены по 100 000 симуляций.
В зависимости от массы и скорости первичных чёрных дыр, а также скорости планеты, смоделированные пролёты изменяли эксцентриситет орбиты юпитерианской планеты в разной степени.
Другие результаты возможны, но редки, по словам авторов. Некоторые первичные чёрные дыры могут быть захвачены, а некоторые солнечные системы могут пострадать от нескольких пролётов. Такова природа.
К сожалению, в настоящее время нет способа проверить эти результаты с помощью наблюдений.
«Интересно рассмотреть, могут ли популяции экзотических тел объяснить вариации или аномалии в орбитах планетарных систем», — пишут Браун и его соавторы. «В принципе, высокоточные измерения параметров орбит экзопланет могут быть использованы для определения или ограничения обилия первичных чёрных дыр; однако на практике значительные препятствия создают большие неопределённости, связанные как с измерениями, так и с формированием планет».
Возможно, что будущие возможности позволят проводить такие измерения, но это неизвестно. Если это станет возможным и если улучшится моделирование орбитальных параметров экзопланет, астрономы смогут установить ограничения на количество первичных чёрных дыр и пролётов.
«Хотя мы не ожидаем, что сможем использовать наблюдения за экзопланетами для установления ограничений в ближайшем будущем, эта работа описывает общие принципы того, как можно использовать будущий прецизионный каталог экзопланет для обнаружения популяций первичных чёрных дыр или установления ограничений на них», — заключают авторы.
Предоставлено Universe Today.