Темную материю предложили изучать по температуре экзопланет

Физики предложили использовать экзопланеты в качестве детекторов темной материи путем наблюдения за их температурой. Согласно исследованию ученых, процесс аннигиляции частиц темной материи в центрах тяжелых небесных тел должен нагревать эти объекты. Для темных частиц с массой порядка мегаэлектронвольта этот нагрев, по мнению исследователей, может быть зарегистрирован с помощью космических телескопов нового поколения. Авторы работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предсказывают, что такие наблюдения позволят усилить существующие ограничения на взаимодействие темной материи с веществом более чем на 6 порядков, а также расскажут о плотности темной материи в галактическом гало.

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии, из-за чего ее нельзя увидеть напрямую. Тем не менее она обладает массой, а значит — может взаимодействовать с обычной материей посредством гравитации, и, возможно, через иные экзотические механизмы. Предположение о существовании такой формы материи позволяет физикам объяснить очень много явлений, которые иначе кажутся парадоксальными. К таким явлениям, к примеру, относятся аномально высокие скорости вращения периферических областей галактики, эффекты гравитационного линзирования с неизвестным источником скрытой массы и даже странности в неоднородностях распределения реликтового излучения.

Пока что физикам не удается напрямую увидеть взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом во многочисленных экспериментах с попытками ее прямой регистрации. Но именно такие эксперименты необходимы для того, чтобы понять природу темных частиц. Согласно обнаруженным косвенным следам существования темной материи, ее общая масса составляет 85 процентов от массы всей материи во вселенной. При этом существенная ее доля располагается в так называемых галактических гало (причем чем ближе к центру галактики — тем ее больше) и не дает галактикам разлетаться. Этим фактом уже пытались воспользоваться в экспериментах, в которых физики пытались зарегистрировать темные частицы в процессе движения Земли сквозь галактическое гало, но их последние результаты говорят об отсутствии следов регистрации темной материи.

Точками потенциального скопления частиц материи могут быть и менее крупномасштабные астрономические объекты: темная материя из галактического гало может рассеиваться и притягиваться тяжелыми планетами, нейтронными звездами или белыми карликами. В случае планет, температура которых относительно мала и не позволяет частицам темной материи приобрести достаточно энергии для преодоления их гравитации, темные частицы будут накапливаться в их центрах в очень больших количествах. Ранее поиск таких скоплений уже провели для Юпитера, наблюдая за его гамма-излучением высоких энергий, а теперь одна из авторов той работы Ребекка Лин (Rebecca Leane) из Стэнфордского университета и Юрий Смирнов (Juri Smirnov) из Университета штата Огайо предложили использовать в этих же целях экзопланеты. Физики показали, что в поиске темной материи могут помочь измерения температуры экзопланет, к классу которых они отнесли как просто планеты за пределами Солнечной системы, так и планеты-сироты (без звездной орбиты) и коричневые карлики, находящиеся в единой системе со звездой. Для этого ученые использовали тот факт, что взаимодействие продуктов аннигиляция темной матери в центрах экзопланет должно нагревать саму экзопланету, причем чем ближе планета к центру галактики — тем больше этот эффект за счет увеличения плотности распределения темной материи.

Помимо низкой температуры, исследователи указали на ряд преимуществ экзопланет для таких поисков темной материи. Так, уже сейчас развернута огромная кампания по поиску экзопланет, причем темпы их открытия только растут: большая их часть была обнаружена за последние 5 лет, а всего на настоящий момент было открыто 4324 экзопланет, и еще 5695 кандидатов находятся в процессе изучения. Это значит, что у физиков будет большой простор для регистрации температуры таких объектов, и он будет только расти, ведь число экзопланет в нашей Галактике должно достигать 300 миллиардов. Кроме того, экзопланеты имеют большую площадь поверхности, а значит ее температуру можно измерить на большем расстоянии в сравнении с теми же нейтронными звездами. Для проверки возможностей таких измерений физики использовали характеристики космической обсерватории «Джеймс Уэбб», которая уже совсем скоро позволит наблюдать за экзопланетами в инфракрасном диапазоне, а значит и судить об их температуре.

Чтобы понять, какой вклад в температуру той или иной экзопланеты может вносить темная материя, физики вычисляли возможное количество захватываемых экзопланетой темных частиц разной массы, пользуясь тремя различными профилями распределения плотности темной материи в галактическом гало. По этому количеству физики могли судить о том, какой поток тепла будет вырабатываться в ходе аннигиляции темных частиц на фотоны или другие частицы в центре экзопланет, который, в свою очередь, зависел от сечения взаимодействия темной материи с обычной материей. Моделирование показало, что чувствительность «Джеймса Уэбба» позволит наблюдать за изменениями температур коричневых карликов малых и промежуточных масс на расстоянии порядка 0,1 килопарсека от галактического центра, где вклад темной материи в нагрев планеты должен быть существенен. В этом случае ученые смогут получить ограничения на сечение рассеяния темных частиц на протоне до порядка 10^-37 квадратных сантиметров для темных частиц с массой порядка десятков и сотен мегаэлектронвольт, что на 6 порядков больше существующих ограничений. Наблюдения за газовыми гигантами, согласно выводам физиков, также позволят усилить существующие ограничения, но лишь на 3 порядка.

Подробнее про то, какую роль темная материя играет в современной физике и почему ученым так важно ее зарегистрировать, можно почитать в нашем материале «Невидимый цемент Вселенной».