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. Після того як молекули в атмосфері іонізуються сонячним випромінюванням впродовж дня, вони можуть рекомбінувати й випромінювати фотони — цей процес триває протягом усієї ночі.
Це явище, яке отримало назву «повітряне світіння», вперше пояснили понад 2000 років тому. Однак у 2024 році Бланко та його колега Ребека Ліні з Національної прискорювальної лабораторії SLAC висунули гіпотезу, що інше атмосферне світіння може виникати, коли гіпотетичні частинки темної матерії анігілюють усередині гігантських планет.
Науковці припустили, що під час обертання Сонячної системи навколо Галактики гігантські планети, такі як Юпітер, можуть захоплювати значну кількість частинок темної матерії. Під час анігіляції цих частинок вивільнена енергія може іонізувати сусідні молекули водню. Утворені іони швидко вступають у реакцію, внаслідок якої формується триатомний водень (H₃⁺). Під час переходу в стани з нижчою енергією він 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 від H₃⁺, вони досліджували, чи можуть енергійні електрони, що утворюються під час процесу іонізації, прямо збуджувати молекулярний водень, змушуючи його 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 могли б досліджувати області параметричного простору темної матерії, які недоступні для підземних експериментів на Землі, включаючи дуже легкі частинки та сильно взаємодіючу темну матерію, яку зупиняли б ще до того, як вона досягне наших земних детекторів.
«Піки чутливості до темної матерії знаходяться біля маси протона, що передає енергію найефективніше водню, з якого складаються ці планети, — пояснює Бланко. — Оскільки чотири гігантські планети відрізняються за розміром, температурою та складом, кожна з них досліджує різні маси темної матерії та моделі».
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.
