Американські науковці провели найсуворіші на сьогодні випробування гіпотези про те, що ультрафіолетове світіння в атмосферах гігантських планет може частково виникати внаслідок непрямої взаємодії темної матерії зі звичайною.
Ультрафіолетове повітряне світіння в атмосферах гігантських планет
Результати досліджень групи під керівництвом Карлоса Бланко з Принстонського університету встановлюють одні з найсуворіших на сьогодні обмежень щодо сили взаємодії темної матерії зі звичайною речовиною. Дослідження також підкріплює гіпотезу про те, що гігантські планети нашої Сонячної системи можуть використовуватися як природні детектори темної матерії. Про це повідомляє сайт phys.org.
Якщо дивитися крізь земну атмосферу, нічне небо ніколи не буває по-справжньому темним. Верхні шари атмосфери безперервно слабко світяться. Однією з причин є рекомбінація атомів і молекул, іонізованих сонячним випромінюванням удень. Крім того, світіння підтримують хімічні реакції між різними компонентами атмосфери.
Це явище, відоме як повітряне світіння (airglow), детально вивчають уже понад століття. Однак у 2024 році Карлос Бланко та його колега Ребека Ліні з Національної прискорювальної лабораторії SLAC висунули гіпотезу, що додаткове світіння атмосфери може виникати внаслідок анігіляції гіпотетичних частинок темної матерії всередині гігантських планет.
Науковці припустили, що під час руху Сонячної системи крізь гало темної матерії Чумацького Шляху гігантські планети, такі як Юпітер, можуть захоплювати частинки темної матерії своєю гравітацією. Якщо ці частинки анігілюють у надрах планети, вивільнена енергія іонізує молекули водню. Унаслідок подальших реакцій утворюється триатомний водень (H₃⁺), який під час переходу в нижчі енергетичні стани випромінює інфрачервоне світло.
Порівнюючи прогнози цього інфрачервоного випромінювання зі спостереженнями верхніх шарів атмосфери Юпітера, Бланко та Ліні встановили одні з перших надійних обмежень щодо того, чи можуть взаємодії темної матерії створювати помітний атмосферний сигнал. Утім, цей інфрачервоний сигнал базується на H₃⁺, що робить його набагато більш специфічним для окремих планетних атмосфер.
«Природним наступним запитанням було те, чи існує сигнал, який працює для всіх гігантських планет, — говорить Бланко. — Відповіддю виявилася ультрафіолетова аерофлуоресценція — явище, про яке люди замислювалися ще з часів Арістотеля».
Шукаючи таємниче випромінювання, спричинене темною матерією
У своєму останньому дослідженні Бланко, Ліні та їхні колеги розглянули ще один можливий наслідок анігіляції темної матерії. Замість того щоб шукати інфрачервоне випромінювання триатомного водню (H₃⁺), дослідники перевірили інший механізм. Вони з’ясували, чи можуть енергійні електрони, що утворюються під час іонізації, безпосередньо збуджувати молекули водню, змушуючи їх випромінювати ультрафіолетове світло.
«Разом з іонізуючими фотонами, іонізуючі електрони також можуть змушувати молекулярний водень світитися в ультрафіолеті — це сигнал, який ми можемо шукати у кожній гігантській планеті одночасно», — пояснює Бланко.
Оскільки будь-яке сяйво, спричинене темною матерією, ймовірно, буде перекрите сонячним світлом, команда зосередилася на спостереженнях нічних боків планет. За надзвичайно слабкої інтенсивності світіння, передбаченої теорією, необхідні вимірювання можна виконати лише під час прольотів космічних апаратів. На сьогодні такі дані отримали лише Voyager 1, Voyager 2 та New Horizons під час дослідження Юпітера, Сатурна, Урана й Нептуна.
Оскільки атмосфери гігантських планет вже виробляють слабке ультрафіолетове нічне світло через природні процеси, дослідники шукали будь-яке додаткове випромінювання, яке можна було б віднести до темної матерії. Вимірюючи, щоб передбачений сигнал від темної матерії не був яскравішим за ультрафіолетове світло, що його фактично спостерігав космічний апарат, вони встановили нові обмеження для теорії — отримавши одні з найстрогіших меж на сьогодні для взаємодії темної та звичайної матерій.
Планети як детектори темної матерії
Результати команди зміцнюють аргумент на користь того, щоб використовувати чотири гігантські планети Сонячної системи як природні детектори темної матерії. Зокрема, вони можуть допомогти досліджувати області параметричного простору, недоступні для сучасних підземних експериментів на Землі. Йдеться, зокрема, про дуже легкі частинки темної матерії та моделі зі сильною взаємодією, у яких частинки втрачали б енергію або повністю поглиналися ще в атмосфері чи земній корі, не досягаючи наземних детекторів.
«Чутливість методу найбільша, коли маса частинки темної матерії приблизно дорівнює масі протона. Тоді вона найефективніше передає енергію водню, який є основним компонентом гігантських планет, — пояснює Бланко. — Завдяки відмінностям у розмірах, температурі та складі Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун можуть перевіряти різні моделі та діапазони мас темної матерії».
Водночас прогнозована чутливість методу порушує нові питання щодо поведінки темної матерії після її захоплення планетою. Зокрема, тепло надр планети може дозволити найлегшим частинкам темної матерії вирватися назовні ще до того, як вони створять спостережуваний сигнал в атмосфері, що знижує чутливість цього методу.
Дослідники сподіваються, що багато із цих питань можна буде розв’язати завдяки майбутнім місіям, зокрема космічному апарату ESA JUICE, який має увійти на орбіту Юпітера у 2031 році.
