Гигантские планеты могут стать детекторами темной материи
Американские исследователи провели самые строгие на сегодняшний день тесты идеи о том, что ультрафиолетовое свечение в атмосферах планет-гигантов может частично возникать из-за косвенного взаимодействия темной материи с обычной. Команда под руководством Карлоса Бланко из Принстонского университета получила одни из самых жестких ограничений на силу этого взаимодействия. Результаты опубликованы в Physical Review Letters. Об этом сообщает издание Phys.org.
Исследование также укрепляет возможность использования планет-гигантов Солнечной системы в качестве естественных детекторов темной материи. Когда смотришь на ночное небо сквозь атмосферу Земли, оно никогда не бывает полностью темным. После того как молекулы в атмосфере ионизируются солнечным излучением днем, они могут рекомбинировать и испускать фотоны — процесс продолжается всю ночь. Это явление, названное «свечением воздуха», было описано еще более 2000 лет назад.
В 2024 году Бланко и его коллега Ребекка Лин из Национальной ускорительной лаборатории SLAC предположили, что другое атмосферное свечение может возникать, когда гипотетические частицы темной материи аннигилируют внутри планет-гигантов. По мере движения Солнечной системы по галактике такие планеты, как Юпитер, могут захватывать значительное количество частиц темной материи. При их аннигиляции выделяется энергия, способная ионизировать близлежащие молекулы водорода. Образующиеся ионы быстро реагируют, образуя трехатомный водород (H₃⁺), который излучает инфракрасное излучение, переходя в состояния с более низкой энергией.
Сравнивая предсказания этого инфракрасного излучения с наблюдениями верхней атмосферы Юпитера, Бланко и Лин получили одни из первых надежных ограничений на то, могут ли взаимодействия темной материи создавать detectable атмосферный сигнал. Однако тот инфракрасный сигнал зависит от H₃⁺, что делает его гораздо более специфичным для отдельных планетарных атмосфер. «Естественным следующим вопросом было, существует ли сигнатура, которая работает для всех планет-гигантов сразу, — говорит Бланко. — Ультрафиолетовое свечение воздуха, явление, которое люди изучают со времен Аристотеля, оказалось ответом».
В своем новом исследовании Бланко, Лин и их коллеги изучили другое возможное последствие аннигиляции темной материи. Вместо поиска инфракрасного излучения от H₃⁺ они проверили, могут ли энергичные электроны, образующиеся в процессе ионизации, напрямую возбуждать молекулярный водород, заставляя его излучать ультрафиолетовый свет. Поскольку любое свечение, вызванное темной материей, вероятно, будет перекрыто солнечным светом, команда сосредоточилась на наблюдениях ночных сторон планет. При слабом уровне света, предсказанном теорией, подходящие измерения доступны только с пролетов космических аппаратов. На сегодняшний день их предоставили «Вояджер-1», «Вояджер-2» и «Новые горизонты» во время встреч с Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном.
Поскольку атмосферы планет-гигантов уже производят слабое ультрафиолетовое ночное свечение за счет естественных процессов, исследователи искали любое дополнительное излучение, которое можно было бы приписать темной материи. Потребовав, чтобы предсказанный сигнал темной материи оставался не ярче ультрафиолетового свечения, фактически наблюдаемого космическими аппаратами, они установили новые ограничения на теорию — одни из самых жестких на сегодняшний день для взаимодействий между темной материей и обычной.
Результаты команды укрепляют аргументы в пользу использования четырех планет-гигантов Солнечной системы в качестве естественных детекторов темной материи. В частности, они могут исследовать области параметров темной материи, недоступные для подземных экспериментов на Земле, включая очень легкие частицы и сильно взаимодействующую темную материю, которая была бы остановлена до достижения наземных детекторов. «Чувствительность достигает пика для темной материи с массой, близкой к массе протона, которая наиболее эффективно передает энергию водороду, из которого состоят эти планеты, — объясняет Бланко. — Поскольку четыре планеты-гиганта 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 наблюдаемую атмосферную сигнатуру, снижая чувствительность метода. Исследователи надеются, что многие из этих вопросов смогут быть решены будущими миссиями, включая космический аппарат JUICE Европейского космического агентства, который должен выйти на орбиту Юпитера в 2031 году. «JUICE несет ультрафиолетовый спектрометр, а предложенная миссия к Урану могла бы впервые со времен „Вояджера-2
