Учёные предложили использовать гигантские планеты как детекторы тёмной материи
Гигантские планеты Солнечной системы могут стать естественными детекторами тёмной материи. К такому выводу пришла группа исследователей из США, которая провела наиболее строгие на сегодняшний день проверки гипотезы о том, что необычное ультрафиолетовое свечение в атмосферах планет-гигантов может быть связано с взаимодействием тёмной материи с обычным веществом.
Исследование под руководством Карлоса Бланко из Принстонского университета показало, что наблюдения за атмосферным свечением Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна позволяют установить одни из самых жёстких ограничений на возможные взаимодействия между тёмной материей и обычной материей. Учёные считают, что такие планеты могут исследовать области физики, недоступные для многих наземных экспериментов.
Работа опубликована в журнале Physical Review Letters и развивает идею о том, что планеты-гиганты могут выступать в роли огромных космических лабораторий для изучения одной из самых загадочных форм материи во Вселенной.
Даже ночное небо Земли не является полностью тёмным. В верхних слоях атмосферы постоянно происходит слабое свечение, известное как атмосферное свечение. Оно возникает после того, как солнечное излучение в течение дня ионизирует молекулы атмосферы, а затем эти частицы снова соединяются и выделяют фотоны.
Это явление было известно ещё более 2000 лет назад, однако современные исследования показали, что похожие процессы могут иметь и другое происхождение. В 2024 году Карлос Бланко и его коллега Ребекка Лин из Национальной ускорительной лаборатории SLAC предположили, что дополнительное свечение в атмосферах планет-гигантов может возникать из-за уничтожения частиц тёмной материи.
Согласно этой гипотезе, когда Солнечная система движется по галактике, гигантские планеты, такие как Юпитер, могут захватывать значительное количество частиц тёмной материи. Если эти частицы сталкиваются друг с другом и аннигилируют, высвобождаемая энергия может воздействовать на окружающие молекулы водорода.
В результате такого процесса могут образовываться ионы, которые быстро превращаются в трёхатомный водород H₃⁺. При переходе в более низкое энергетическое состояние этот необычный ион выделяет инфракрасное излучение, которое потенциально можно обнаружить.
Сравнивая расчёты возможного инфракрасного сигнала с наблюдениями верхней атмосферы Юпитера, учёные ранее смогли установить первые ограничения на вероятность того, что взаимодействия тёмной материи могут создавать заметные атмосферные признаки.
Однако такой сигнал зависит от наличия H₃⁺, поэтому он может быть характерен только для определённых типов планет. Исследователи решили найти более универсальный признак, который можно было бы использовать для изучения всех планет-гигантов.
«Естественным следующим вопросом было, существует ли сигнал, который работает для всех гигантских планет одновременно», — отметил Карлос Бланко. Учёные предположили, что таким признаком может быть ультрафиолетовое свечение атмосферы.
В новом исследовании команда изучила другой возможный результат аннигиляции тёмной материи. Вместо поиска инфракрасного излучения H₃⁺ специалисты рассмотрели возможность того, что энергичные электроны, возникающие при ионизации, могут напрямую возбуждать молекулы водорода.
После этого возбуждённый молекулярный водород способен испускать ультрафиолетовый свет. Такой сигнал был бы особенно интересен, поскольку его можно искать в атмосферах разных планет-гигантов независимо от их индивидуального химического состава.
Учёные отмечают, что возможное свечение от тёмной материи практически невозможно обнаружить на дневной стороне планет из-за сильного воздействия солнечного света. Поэтому исследователи сосредоточились на наблюдениях ночных сторон планет.
При таких низких уровнях свечения подходящие данные можно получить в основном благодаря космическим аппаратам, которые совершали пролёты мимо планет. В исследовании использовались наблюдения, полученные аппаратами Voyager 1, Voyager 2 и New Horizons во время их сближений с Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном.
Поскольку атмосферы планет-гигантов уже обладают слабым естественным ультрафиолетовым свечением, учёные искали дополнительный сигнал, который нельзя было бы объяснить обычными процессами. Они сравнили предсказания модели тёмной материи с фактическими данными и установили новые ограничения на возможную силу такого взаимодействия.
Результаты исследования усиливают перспективность использования четырёх гигантских планет Солнечной системы в качестве естественных детекторов тёмной материи. Такие объекты способны изучать параметры частиц, которые трудно исследовать с помощью подземных установок на Земле.
Наземные детекторы часто не могут обнаружить очень лёгкие частицы тёмной материи или частицы, которые активно взаимодействуют с веществом и останавливаются ещё до достижения чувствительных элементов приборов. В отличие от них, гигантские планеты обладают огромными объёмами водорода, который может эффективно передавать энергию таким частицам.
«Чувствительность достигает максимума для тёмной материи с массой, близкой к массе протона, поскольку такая частица наиболее эффективно передаёт энергию водороду, из которого состоят эти планеты», — объяснил Бланко.
Учёные отмечают, что каждая планета-гигант исследует разные варианты моделей тёмной материи благодаря различиям в размере, температуре и составе. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун могут дополнять друг друга в поиске новых физических явлений.
Однако у метода существуют и ограничения. Нагрев внутри планет может привести к тому, что самые лёгкие частицы тёмной материи будут покидать планету до того, как успеют создать заметный атмосферный сигнал. Это может снижать чувствительность наблюдений.
Исследователи надеются, что будущие космические миссии помогут уточнить эти вопросы. В частности, европейский аппарат JUICE, который должен выйти на орбиту Юпитера в 2031 году, оснащён ультрафиолетовым спектрометром и сможет провести новые наблюдения.
Кроме того, будущие миссии к Урану могут впервые после Voyager 2 подробно изучить ледяные гиганты. Учёные также предполагают, что мощные ультрафиолетовые телескопы в будущем смогут искать подобное свечение у массивных экзопланет, особенно у так называемых суперюпитеров, которые могут стать ещё более чувствительными детекторами тёмной материи.
Исследование в журнале Physical Review Letters.