Газовые гиганты могут помочь найти тёмную материю: учёные предложили неожиданную идею

Тёмная материя остаётся одной из главных загадок современной физики и астрономии. По расчётам, именно она составляет большую часть всей материи во Вселенной, однако до сих пор её не удалось зарегистрировать напрямую. Несмотря на десятилетия поисков, многочисленные подземные лаборатории и сверхчувствительные детекторы пока не обнаружили частицы, из которых она может состоять.

Новое исследование предлагает взглянуть на проблему с неожиданной стороны. Вместо того чтобы искать следы тёмной материи только в специальных лабораториях на Земле, учёные предлагают использовать в качестве естественных космических детекторов гигантские планеты. По их мнению, именно такие миры способны помочь обнаружить признаки взаимодействия загадочного вещества с обычной материей.

Почему тёмную материю так трудно найти

Астрономы уверены в существовании тёмной материи не потому, что наблюдали её напрямую, а потому что видят её влияние.

Без неё невозможно объяснить многие наблюдения, включая:

• скорости вращения галактик;
• движение галактик внутри скоплений;
• распределение вещества во Вселенной;
• особенности формирования крупных космических структур;
• некоторые эффекты гравитационного линзирования.

Однако сама тёмная материя практически не испускает свет, не отражает его и, по современным представлениям, крайне слабо взаимодействует с обычным веществом.

Именно поэтому обнаружить её чрезвычайно сложно.

Земные детекторы имеют ограничения

Во всём мире работают десятки экспериментов, целью которых является поиск частиц тёмной материи.

Обычно такие установки располагают глубоко под землёй.

Это позволяет защитить чувствительное оборудование от космических лучей и других источников помех.

Тем не менее даже самые совершенные приборы сталкиваются с рядом ограничений:

• небольшой объём детектора;
• крайне редкие возможные взаимодействия;
• высокий уровень требований к чувствительности;
• необходимость длительных наблюдений.

Поэтому исследователи продолжают искать альтернативные способы поиска.

Почему внимание привлекли гигантские планеты

Газовые гиганты значительно превосходят Землю по размерам и массе.

Например, Юпитер более чем в 300 раз массивнее нашей планеты.

Такие объекты обладают огромными запасами вещества и чрезвычайно мощной гравитацией.

Если частицы тёмной материи действительно способны хотя бы изредка взаимодействовать с обычным веществом, вероятность подобных столкновений внутри гигантской планеты оказывается значительно выше, чем внутри небольшого лабораторного детектора.

Фактически сама планета превращается в гигантскую естественную экспериментальную установку.

Как это может работать

Согласно предложенной модели, частицы тёмной материи, пролетающие через галактику, могут попадать в мощное гравитационное поле газового гиганта.

Некоторые из них способны терять часть своей энергии при столкновениях с веществом планеты.

Если это происходит, частицы уже не смогут покинуть её пределы и постепенно будут накапливаться внутри.

Со временем их концентрация может увеличиваться.

Что происходит дальше

Если определённые модели тёмной материи окажутся верными, накопившиеся частицы могут взаимодействовать между собой.

В результате подобных процессов может выделяться дополнительная энергия.

Она будет нагревать внутренние области планеты.

Само повышение температуры окажется очень небольшим.

Однако современные методы астрономических наблюдений постепенно становятся настолько точными, что подобные отклонения могут оказаться заметными.

Почему особенно интересны холодные гиганты

Исследователи обращают внимание прежде всего на старые и сравнительно холодные планеты.

Такие объекты уже давно потеряли большую часть внутреннего тепла, оставшегося после их формирования.

Поэтому любое дополнительное выделение энергии становится более заметным.

Если наблюдаемая температура окажется выше ожидаемой, это может стать косвенным свидетельством неизвестного источника нагрева.

Одним из возможных объяснений и может оказаться взаимодействие с тёмной материей.

Это не доказательство существования тёмной материи

Авторы исследования подчёркивают, что речь идёт лишь о новом способе проверки существующих гипотез.

Даже если у какой-либо планеты обнаружится избыточное тепло, это ещё не означает автоматического открытия тёмной материи.

Подобный эффект могут вызывать и другие процессы:

• особенности внутреннего строения;
• остаточное тепло формирования;
• необычный химический состав;
• приливные взаимодействия;
• другие пока неизвестные механизмы.

Поэтому потребуется исключить все возможные естественные причины.

Почему идея считается перспективной

Главное преимущество такого подхода заключается в том, что сама природа предоставляет исследователям огромные объекты для наблюдений.

Не нужно строить новые многокилометровые лаборатории.

Газовые гиганты уже существуют.

Задача астрономов — максимально точно измерить их свойства и сравнить реальные данные с расчётами.

Если между ними обнаружатся устойчивые расхождения, это может указать на существование новых физических процессов.

Какие планеты подходят лучше всего

Особый интерес представляют:

• одинокие газовые гиганты;
• очень старые планеты;
• холодные объекты, удалённые от своих звёзд;
• массивные экзопланеты;
• свободно летящие планеты, не связанные с какой-либо звездой.

У таких миров влияние звезды минимально, поэтому анализировать их собственное тепловое излучение значительно проще.

Роль современных телескопов

Наблюдать столь слабые температурные различия ещё недавно было практически невозможно.

Однако новые поколения космических и наземных телескопов способны измерять характеристики далёких экзопланет значительно точнее.

Учёные уже получают информацию о:

• температуре атмосферы;
• составе газовой оболочки;
• массе;
• размерах;
• тепловом излучении.

В будущем точность подобных измерений будет только возрастать.

Экзопланеты становятся лабораториями для фундаментальной физики

Интересно, что исследования далёких миров всё чаще выходят за рамки классической планетологии.

Если раньше экзопланеты изучались главным образом для поиска потенциально пригодных для жизни условий, то сегодня они помогают проверять самые разные физические теории.

Фактически каждая обнаруженная планета становится новым объектом, на котором можно проверить модели формирования планет, поведения вещества при огромных давлениях, процессов в атмосферах и даже гипотезы о природе тёмной материи.

Поиск тёмной материи выходит за пределы Земли

Новое исследование показывает, что поиски одного из самых загадочных компонентов Вселенной могут вестись не только в подземных лабораториях, но и с помощью наблюдений за космическими объектами. Газовые гиганты благодаря своим огромным размерам и мощной гравитации способны служить своеобразными естественными детекторами, внутри которых потенциально могут происходить крайне редкие взаимодействия частиц тёмной материи.

Пока эта идея остаётся теоретической, однако она расширяет возможности современной науки. Чем больше различных способов проверки гипотез используют исследователи, тем выше вероятность приблизиться к ответу на один из самых фундаментальных вопросов современной космологии — из чего на самом деле состоит большая часть материи во Вселенной.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org