У своєму революційному дослідженні науковці застосовують інноваційний метод для пошуку темної матерії — невловимої субстанції, що, як вважається, становить близько 27% маси Всесвіту. Використовуючи Юпітер як космічний детектор, вони прагнуть пролити світло на цю загадкову складову космосу. Дослідження, очолюване Карлосом Бланко з Принстонського університету та Ребеккою Лін з Стенфордського університету, представляє значний прорив у розумінні темної матерії та її потенційних взаємодій в атмосферах планет.
Виклик у виявленні темної матерії
Темна матерія є ключовим компонентом маси Всесвіту, але вона залишається невловимою для традиційних засобів, оскільки не випромінює, не поглинає і не відбиває світло. Єдиним доказом її існування є її гравітаційний вплив на видиму матерію, таку як зірки і галактики. Було проведено численні експерименти для прямого виявлення частинок темної матерії, але досі вони залишалися невловимими. Це дослідження, однак, досліджує новий підхід. Воно в першу чергу зосереджує увагу на тому, як темна матерія може взаємодіяти з атмосферою планет. Зокрема, в якості тестового об’єкта було використано… Юпітер.
Чому саме Юпітер?
Юпітер є ідеальним кандидатом для цього типу досліджень через його величезний розмір і відносно прохолодне ядро. Ці характеристики роблять його здатним захоплювати більше гіпотетичних частинок темної матерії, ніж менші або гарячіші небесні тіла, такі як Земля чи навіть Сонце. Прохолодніша температура ядра запобігає “випаровуванню” легших частинок темної матерії, дозволяючи їм накопичуватися з часом. Це накопичення може призвести до взаємодій між частинками темної матерії, які можуть спричинити утворення сигналів, що піддаються виявленню, у вигляді тригідрогенних катіонів (H₃⁺) в атмосфері планети.
Роль тригідрогенних катіонів (H₃⁺)
Тригідрогенні катіони — це іони, що складаються з трьох протонів і двох електронів, і вони рясно утворюються в атмосфері планет через різні процеси, включаючи взаємодії з космічними променями та сонячним вітром. Однак у контексті виявлення темної матерії ці катіони можуть утворюватися через анігіляцію частинок темної матерії в атмосфері Юпітера. Дослідження було зосереджене на виявленні таких катіонів за допомогою даних з космічного апарату NASA Cassini, який пролітав повз Юпітер дорогою до Сатурна у 2000 році.
Внесок Cassini у дослідження
Візуальний та інфрачервоний спектрометр Cassini (VIMS) збирав дані про випромінювання H₃⁺ під час його прольоту, особливо з нічного боку Юпітера, що забезпечувало низькофонове середовище, ідеальне для цього дослідження. Нічний бік звільнений від іонізуючого впливу сонячної радіації, що дозволило дослідникам шукати слабкі сигнали, які могли б бути приписані взаємодіям з темною матерією.
Незважаючи на ретельний аналіз, Cassini не виявив очікуваного інфрачервоної сігнатури від катіонів H₃⁺, що вказувало б на взаємодії з темною матерією. Однак цей “відсутній” результат далеко не розчаровує. Він дозволив дослідникам встановити нові обмеження на властивості частинок темної матерії, зокрема на їхній “переріз розсіювання” — параметр, що визначає, наскільки ймовірно, що вони взаємодіють із звичайною матерією. Ці обмеження є одними з найсуворіших, які коли-небудь були встановлені для певних моделей темної матерії.
Результати дослідження свідчать про те, що якщо частинки темної матерії існують і мають властивості, передбачені певними моделями, вони повинні набагато рідше взаємодіяти із звичайною матерією, ніж вважалося раніше. Це відкриття суттєво звужує діапазон можливих характеристик частинок темної матерії, надаючи критичні дані, які вплинуть на майбутні дослідження та експерименти. Наприклад, обмеження, встановлені цим дослідженням, є на кілька порядків чутливішими, ніж ті, що було використано у попередніх пошуках, особливо для легких частинок темної матерії.
Перспективи майбутнього: розширення пошуку на екзопланети
Одним із найцікавіших аспектів цього дослідження є його потенційне застосування до екзопланет. У дослідженні пропонується, що аналогічні методи можуть бути використані для виявлення темної матерії в атмосферах масивних екзопланет, особливо тих, що знаходяться ближче до центру Чумацького Шляху, де очікується вища щільність темної матерії. Ці «супер-Юпітери», більші за сам Юпітер, можуть служити значно більш ефективними детекторами темної матерії.
У найближчому майбутньому такі місії, як Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) Європейського космічного агентства, заплановані на 2030-ті роки, можуть забезпечити більш детальні вимірювання атмосфери Юпітера. Потенційно це дозволить підтвердити або спростовати результати цього дослідження. Крім того, передові телескопи, такі як Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) або майбутні наземні телескопи 30-метрового класу, можуть бути використані для виявлення H₃⁺ в атмосферах екзопланет, наближаючи нас до розкриття природи темної матерії.
Новий розділ у дослідженні темної матерії
Використання Юпітера як детектора темної матерії представляє собою новий підхід у тривалому прагненні зрозуміти одну з найбільших загадок Всесвіту. Хоча дані Cassini не виявили невловимих частинок, дослідження заклало важливу основу для майбутніх пошуків. Уточнюючи наше розуміння того, як темна матерія може взаємодіяти з атмосферами планет, дослідники не лише звужують поле потенційних кандидатів на роль темної матерії, але й відкривають нові можливості для відкриттів у дослідженні екзопланет і не тільки.
Це дослідження підкреслює важливість інноваційних підходів у галузі астрофізики та постійну цінність даних з минулих місій, таких як Cassini. Схоже, що людство дійсно наближається до відкриття “частинок” темної матерії.
Джерело: Наукова публікація