|
Планеты-гиганты в качестве детекторов темной материи
|
|
|
|
Американские исследователи провели самые строгие на сегодняшний день проверки идеи о том, что ультрафиолетовое свечение в атмосферах планет-гигантов может частично возникать в результате косвенного взаимодействия темной материи и обычной материи. Результаты работы группы, возглавляемой Карлосом Бланко из Университета штата Пенсильвания и Ребеккой Лин из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, накладывают одни из самых жестких ограничений на силу этого взаимодействия.
|
|
|
|
Опубликованное в журнале Physical Review Letters исследование также подтверждает возможность использования планет-гигантов в нашей Солнечной системе в качестве естественных детекторов темной материи.
|
|
|
|
При наблюдении через атмосферу Земли ночное небо никогда не бывает по-настоящему темным. Днем молекулы, находящиеся в верхних слоях атмосферы, расщепляются солнечным светом, но когда фрагменты снова соединяются после наступления темноты, они излучают слабое свечение, которое длится всю ночь.
|
|
|
|
Это явление, получившее название «свет атмосферы», было впервые описано более 2000 лет назад. Однако в 2024 году Бланко и Лиан предположили, что другое атмосферное свечение может возникать при аннигилации гипотетических частиц темной материи внутри гигантских планет.
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку Солнечная система вращается вокруг галактики, дуэт предположил, что гигантские планеты, такие как Юпитер, могут захватывать значительное количество частиц темной материи. При аннигилации этих частиц высвобождаемая энергия может ионизировать находящиеся поблизости молекулы водорода. Образующиеся ионы быстро реагируют, образуя трехатомный водород (H3+), который излучает инфракрасное излучение, переходя в более низкоэнергетические состояния.
|
|
|
|
Сравнивая предсказания этого инфракрасного излучения с наблюдениями верхней атмосферы Юпитера, Бланко и Лиан установили одни из первых надежных ограничений на то, могут ли взаимодействия темной материи создавать обнаруживаемый атмосферный сигнал. Однако этот инфракрасный сигнал зависит от H3+, который может существовать только при температурах и химических условиях, присутствующих на Юпитере.
|
|
|
|
«Естественным следующим вопросом был вопрос, существует ли какой-либо признак, который одновременно проявляется на каждой гигантской планете», — говорит Бланко. «Ультрафиолетовое свечение атмосферы, явление, о котором люди задумывались со времен Аристотеля, оказалось ответом».
|
|
Возвращаясь к исследованию пролетов планет
|
|
|
|
В своем последнем исследовании Бланко, Лиан и их коллеги изучили еще одно возможное последствие аннигиляции темной материи. Вместо поиска инфракрасного излучения от H3+ они исследовали, могут ли энергичные электроны, образующиеся в процессе ионизации, непосредственно возбуждать молекулярный водород, заставляя его излучать ультрафиолетовый свет.
|
|
|
|
«Электроны, созданные в результате аннигиляции, вместе с теми, которые они высвобождают при ионизации газа, возбуждают молекулярный водород и заставляют его светиться в ультрафиолетовом диапазоне — признак, который мы можем искать одновременно на каждой гигантской планете», — объясняет Бланко.
|
|
|
|
Поскольку любое свечение, вызванное темной материей, скорее всего, будет подавлено солнечным светом, команде необходимо было наблюдать ночные стороны планет. Однако с точки зрения Земли эти планеты всегда кажутся почти полностью освещенными Солнцем. Для наблюдения за их ночной стороной исследователям необходимо проанализировать данные, собранные космическими аппаратами во время пролётов. На сегодняшний день эти данные были получены аппаратами Voyager 1, Voyager 2 и New Horizons во время сближений с Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном.
|
|
|
|
Поскольку атмосферы гигантских планет уже производят слабое ультрафиолетовое ночное свечение в результате естественных процессов, исследователи искали любое дополнительное излучение, которое можно было бы отнести к темной материи. Требуя, чтобы предсказанный сигнал темной материи оставался не ярче ультрафиолетового свечения, фактически наблюдаемого космическим аппаратом, они наложили новые ограничения на теорию, получив одни из самых жестких на сегодняшний день ограничений на взаимодействие темной материи с обычной материей.
|
|
|
|
Результаты работы команды подтверждают целесообразность использования четырех гигантских планет Солнечной системы в качестве естественных детекторов темной материи. В частности, они могли бы исследовать области пространства параметров темной материи, недоступные для подземных экспериментов на Земле, включая очень легкие частицы и сильно взаимодействующую темную материю, которая будет остановлена до того, как достигнет земных детекторов.
|
|
|
|
«Чувствительность достигает пика для темной материи вблизи массы протона, который наиболее эффективно передает энергию водороду, из которого состоят эти планеты», — объясняет Бланко. «Поскольку четыре гигантские планеты различаются по размеру, температуре и составу, каждая из них исследует разные массы и модели темной материи».
|
|
|
|
В то же время, предсказанная чувствительность поднимает новые вопросы о поведении темной материи после ее захвата планетой. В частности, планетарное тепло может позволить самым легким частицам темной материи покинуть планету до того, как они создадут наблюдаемый атмосферный след, снижая чувствительность метода.
|
|
|
|
Исследователи надеются, что на многие из этих вопросов можно будет ответить в ходе будущих миссий, включая космический аппарат JUICE Европейского космического агентства, который должен выйти на орбиту Юпитера в 2031 году. «JUICE оснащен ультрафиолетовым спектрометром, и предлагаемая миссия на Уран могла бы впервые со времен Voyager 2 снова посетить ледяные гиганты», — прогнозирует Бланко.
|
|
|
|
«В будущем ультрафиолетовые телескопы могли бы искать это свечение в массивных экзопланетах, где находящийся поблизости супер-Юпитер был бы исключительно чувствительным детектором темной материи».
|
|
|
|
Источник
|
