Столкновения частиц темной материи в верхних слоях атмосферы Юпитера?

От 70 до 80 процентов всей материи в нашей Вселенной не является обычной материей, из которой мы состоим. В связи с этим ее назвали темной материей, и на данный момент мы знаем о ней очень мало: у нее нет тех же характеристик, что и у обычной материи, она окутывает галактики и не испускает электромагнитного излучения.

Однако ученые предполагают, что обнаружить темную материю можно косвенным путем: определяя тепло, выделяемое при столкновении частиц темной материи и их уничтожении в процессе аннигиляции.

Теперь два астрофизика из Принстонского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Карлос Бланко и Ребекка К. Лине, предложили и изучили то, что, по их мнению, может быть таким случаем: инфракрасное свечение во внешней атмосфере темной стороны Юпитера.

Аннигиляция темной материи в планетарных атмосферах

Существует множество кандидатов на то, что может быть темной материей, и многие из них обладают свойствами, которые можно обнаружить различными способами. Одна из идей заключается в том, что темная материя самоуничтожается: когда две частицы темной материи сталкиваются, они аннигилируют друг с другом, производя небольшой всплеск тепла или света, или и того, и другого.

Бланко и Лиэн предполагают, что такая аннигиляция может происходить высоко в атмосферах планет, в слое, известном как ионосфера. Частицы темной материи захватываются гравитацией планеты и засасываются в ионосферу, где им грозит взаимное уничтожение.

Юпитер — самое большое несолнечное тело в Солнечной системе: он будет наиболее эффективен для захвата местной темной материи.

Поиски на Юпитере

Во время облета Юпитера миссией НАСА «Кассини», которая направлялась к Сатурну более двух десятилетий назад, бортовой визуальный и инфракрасный картографический спектрометр (VIMS), возможно, обнаружил следы гипотетической аннигиляции темной материи. На самом деле, полученное излучение может быть ионизирующим: оно отрывает электроны от атомов в ионосфере, создавая положительно заряженные H₃⁺, инфракрасное свечение которых было зафиксировано VIMS.

Ионы H₃⁺ очень распространены во Вселенной и образуются при взаимодействии водорода H₂ с космическими лучами, звездным излучением, планетарными грозами или ускоренными электронами в планетарных магнитных полях.

Уровни H₃⁺, которые в планетарных атмосферах дают информацию о температуре и электрических токах в атмосфере, если их обнаружить в больших количествах, могут подтвердить наличие событий аннигиляции темной материи, которые производят ионизирующее излучение.

Неполные результаты

Обнаружение этого процесса представляет собой сложную задачу из-за других ионизирующих процессов, активных в Солнечной системе. Чтобы свести к минимуму помехи, два исследователя изучили результаты измерений H₃⁺, сделанные прибором VIMS «Кассини» в экваториальной области Юпитера в течение ночи, в частности за три часа до и три часа после полуночи на Юпитере.

Данные «Кассини» не указывают, было ли количество измеренных ионов больше, чем то, которое могло быть получено другими способами. Однако ночные данные «Кассини» позволили получить новое представление о характеристиках аннигиляции темной материи в планетарных атмосферах, если она действительно имеет место.

Ученые говорят, что усовершенствованные измерения, запланированные на 2030-е годы миссией ЕКА Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), позволят повысить чувствительность к ионизации темной материи.

А что насчет экзопланет?

Не менее интересным будет изучение местных экзопланет. Ион H₃⁺ в настоящее время активно исследуется в атмосферах газовых гигантов и входит в список целей миссии ARIEL Европейского космического агентства, запуск которой запланирован на 2029 год. ARIEL будет обладать беспрецедентной чувствительностью к химическому составу атмосферы транзитных газовых гигантов.

Другие телескопы, такие как нынешний «Джеймс Уэбб» или будущие телескопы 30-метрового класса, смогут обнаружить атмосферный H₃⁺ с помощью спектроскопии высокого разрешения. Исследователи ожидают, что эти телескопы и миссии смогут обеспечить отличную чувствительность к атмосферной ионизации темной материи на близлежащих экзопланетах.

Ознакомиться с исследованием, опубликованным в журнале Physical Review Letters, можно по этой ссылке.