Юпитер использовали как детектор темной материи

Физики впервые проанализировали гамма-излучение Юпитера в поисках следов аннигиляции темной материи. По мнению ученых, газовые гиганты в ходе движения сквозь галактическое гало могут захватывать и накапливать частицы темной материи за счет своей большой массы и малой температуры. В ходе анализа исследователи изучали данные, накопленные за 12 лет работы космического гамма-телескопа «Ферми», но не нашли в них убедительных доказательств избытка гамма-квантов, источником которых могла бы быть темная материя. Однако, на нижней границе диапазона чувствительности телескопа физики смогли зарегистрировать пик интенсивности гамма-излучения Юпитера, который требует дополнительного анализа с помощью телескопов нового поколения. Препринт статьи доступен на сайте arxiv.org.

Физики уже очень давно заняты поиском избыточной материи неизвестного происхождения, о которой мы косвенно знаем по целому ряду наблюдаемых явлений. Так, существование такой формы материи, которая напрямую не участвует в электромагнитном взаимодействии, но при этом составляет 85 процентов массы материи во Вселенной, позволило бы объяснить аномально высокую скорость вращения внешних областей галактик, эффекты гравитационного линзирования и даже особенности в неоднородностях реликтового излучения. Именно эта гипотетическая форма материи и получила название темной, но обнаружить ее напрямую пока не удалось, несмотря на обилие экспериментов по ее регистрации.

Обнаружить темную материю пытаются на самых разных масштабах изучаемых объектов с большим разнообразием механизмов ее взаимодействия с обычной материей. Так, следы темных бозонов промежуточной массы ищут в энергетических спектрах атомов, существование легчайших частиц темной материи ограничивают в экспериментах с атомными часами, а сверхтяжелые темные частицы предлагают детектировать с помощью большого количества самых настоящих маятников. Все эти эксперименты, однако, предполагают, что темная материя даст о себе знать, взаимодействуя с детектором на Земле. Но есть и иной подход: обнаружить и изучить темную материю можно, наблюдая за ее естественными скоплениями рядом с массивными объектами, к которым она бы притягивалась за счет гравитационного взаимодействия. В том числе и для этого физики регистрируют астрофизические нейтрино, которые могут родиться в компактных галактиках-спутниках в ходе аннигиляции темной материи.

Похожий подход к поиску темной материи выбрали Ребекка Лин (Rebecca Leane) из Стэнфордского университета и Тим Линден (Tim Linden) из Стокгольмского университета. Физики предположили, что объектом, притягивающим и накапливающим в больших объемах темную материю, может быть Юпитер, и что его можно использовать для прямого поиска следов существования этой формы вещества. В пользу такого выбора говорят три фактора: Юпитер одновременно тяжелый, холодный и расположен близко к Земле. Большая масса позволяет сильнее притягивать темную материю, относительно малая температура (к примеру, в сравнении с Солнцем) означает, что частицами темной материи не будет передаваться много кинетической энергии, а значит большие ее объемы будут удерживать вокруг Юпитера. Наконец, близость к Земле позволяет регистрировать больший поток гамма-квантов, которые, по устоявшемуся мнению физиков, могут появляться в ходе распада рожденных при аннигиляции темной материи долгоживущих частиц. Именно промежуточные частицы делают возможным такой подход к регистрации темной материи: последняя должна накапливаться в центре Юпитера, а эти частицы способны покинуть его плотные слои и распасться уже за его пределами, в то время как сами гамма-кванты не смогли бы выбраться из центра планеты.

В ходе анализа ученые изучали данные, накопленные космическим гамма-телескопом «Ферми» за 12 лет наблюдений. Для определения вклада Юпитера в зарегистрированное телескопом гамма-излучения физики наблюдали за участком неба в окрестности 45 градусов от самой планеты, а в качестве фона брали усредненные данные за то время, когда газовый гигант находился за пределами этой области небосвода. По разности фона и наблюдений исследователи судили о том, сколько гамма-квантов определенной энергии прилетало в телескоп непосредственно от Юпитера. В результате для большей части энергетического диапазона ученым не удалось обнаружить существенного вклада Юпитера в спектр регистрируемого гамма-излучения.

Исключением оказались данные, полученные для гамма-квантов с энергией между 10 и 15 мегаэлектронвольт — нижним пределом возможностей детектора на телескопе «Ферми». В этом диапазоне энергий вклад Юпитера оказался существенным, особенно для энергий менее 11.2 мегаэлектронвольт: для этого диапазона можно со статистической точностью в 4,6σ сказать, что газовый гигант излучал избыточные гамма-кванты. Тем не менее, авторы относятся к полученным данным с настороженностью, ведь наблюдения на самом краю допустимых энергий телескопа «Ферми» обладают очень большой погрешностью. Ученые считают, что полученные данные необходимо проверить при запуске обсерваторий AMEGO и e-ASTROGAM, которые будут идеально подходить для регистрации гамма-квантов с энергией в несколько мегаэлектронвольт. Однако уже сейчас на основании полученных данных физикам удалось наложить ограничения на взаимодействие темной материи с обычным веществом, которые на порядки превосходят ранее полученные пороги.

Не удивительно, что исследователи хотят убедиться в достоверности полученных данных: недавно мы рассказывали о том, как эксперимент ANAIS не воспроизвел результаты другого эксперимента по поиску темной материи DAMA/LIBRA, который вот уже почти 20 лет сообщает о следах регистрации темных частиц. А подробнее про то, почему для физиков так важна темная материя, можно почитать в нашем материале «Невидимый цемент Вселенной».

Никита Козырев