В своем революционном исследовании ученые применяют инновационный метод для поиска темной материи – неуловимой субстанции, которая, как считается, составляет около 27% массы Вселенной. Используя Юпитер в качестве космического детектора, они стремятся пролить свет на эту загадочную составляющую космоса. Исследование, возглавляемое Карлосом Бланко из Принстонского университета и Ребеккой Лин из Стэнфордского университета, представляет значительный прорыв в понимании темной материи и ее потенциальных взаимодействий в атмосферах планет.
Вызов в обнаружении темной материи
Темная материя является ключевым компонентом массы Вселенной, но она остается неуловимой для традиционных средств, поскольку не излучает, не поглощает и не отражает свет. Единственным доказательством ее существования является ее гравитационное воздействие с видимой материей, такой как звезды и галактики. Были проведены многочисленные эксперименты для прямого обнаружения частиц темной материи, но до сих пор они оставались неуловимыми. Это исследование, однако, применяет новый подход. Внимание сосредоточено на том, как темная материя может взаимодействовать с атмосферой планет. В частности, в качестве тестового объекта был использован… Юпитер.
Почему именно Юпитер?
Юпитер является идеальным кандидатом для этого типа исследований из-за его огромного размера и относительно прохладного ядра. Эти характеристики делают его способным захватывать больше гипотетических частиц темной материи, чем меньшие или более горячие небесные тела, такие как Земля или даже Солнце. Более прохладная температура ядра предотвращает испарение более легких частиц темной материи, позволяя им накапливаться со временем. Это накопление может привести к взаимодействиям между частицами темной материи, которые могут привести к образованию сигналов, поддающихся обнаружению, в виде тригидрогенных катионов (H₃⁺) в атмосфере планеты.
Роль тригидрогенных катионов (H₃⁺)
Тригидрогенные катионы – это ионы, состоящие из трех протонов и двух электронов, и они обильно образуются в атмосфере планет из-за различных процессов, включая взаимодействия с космическими лучами и солнечным ветром. Однако в контексте обнаружения темной материи эти катионы могут образовываться из-за аннигиляции частиц темной материи в атмосфере Юпитера. Исследование было сосредоточено на обнаружении этих катионов с помощью данных с космического аппарата NASA Cassini, который пролетал мимо Юпитера по дороге к Сатурну в 2000 году.
Вклад Cassini в исследование
Визуальный и инфракрасный спектрометр Cassini (VIMS) собирал данные об излучении H₃⁺ во время его пролета, особенно с ночной стороны Юпитера, что обеспечивало низкофоновую среду, идеальную для этого исследования. Ночная сторона освобождена от ионизирующего воздействия солнечной радиации, что позволило исследователям искать слабые сигналы, которые могли бы быть приписаны взаимодействиям с темной материей.
Несмотря на тщательный анализ, Cassini не обнаружил ожидаемой инфракрасной сигнатуры от катионов H₃⁺, что указывало бы на взаимодействия с темной материей. Однако этот “отсутствующий” результат далеко не разочаровывает. Он позволил исследователям установить новые ограничения на свойства частиц темной материи, в частности на их «сечение рассеяния» – параметр, определяющий, насколько вероятно, что они взаимодействуют с обычной материей. Эти ограничения являются одними из самых строгих, которые когда-либо были установлены для определенных моделей темной материи.
Результаты исследования свидетельствуют о том, что если частицы темной материи существуют и имеют свойства, предсказанные определенными моделями, они должны гораздо реже взаимодействовать с обычной материей, чем считалось ранее. Это открытие существенно сужает диапазон возможных характеристик частиц темной материи, предоставляя критические данные, которые повлияют на будущие исследования и эксперименты. Например, ограничения, установленные этим исследованием, являются на несколько порядков более чувствительными, чем те, которые были использованы в предыдущих поисках, особенно для легких частиц темной материи.
Перспективы будущего: расширение поиска на экзопланеты
Одним из самых интересных аспектов этого исследования является его потенциальное применение на экзопланетах. В исследовании предлагается, что аналогичные методы могут быть использованы для обнаружения темной материи в атмосферах массивных экзопланет, особенно тех, что находятся ближе к центру Млечного Пути, где ожидается более высокая плотность темной материи. Эти «супер-Юпитеры», объекты крупнее самого Юпитера, могут служить значительно более эффективными детекторами темной материи.
В ближайшем будущем такие миссии, как Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) Европейского космического агентства, запланированные на 2030-е годы, могут обеспечить более детальные измерения атмосферы Юпитера. Потенциально это позволит подтвердить или опровергнуть результаты этого исследования. Кроме того, передовые телескопы, такие как Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) или будущие наземные телескопы 30-метрового класса, могут быть использованы для обнаружения H₃⁺ в атмосферах экзопланет, приближая нас к раскрытию природы темной материи.
Новый раздел в исследовании темной материи
Использование Юпитера в качестве детектора темной материи представляет собой новый подход в длительном стремлении понять одну из величайших загадок Вселенной. Хотя данные Cassini не обнаружили неуловимых частиц, исследование заложило важную основу для будущих поисков. Уточняя наше понимание того, как темная материя может взаимодействовать с атмосферами планет, исследователи не только сужают поле потенциальных кандидатов на роль темной материи, но и открывают новые возможности для открытий в исследовании экзопланет и не только.
Это исследование подчеркивает важность инновационных подходов в области астрофизики и постоянную ценность данных прошлых миссий, таких как Cassini. Похоже, что человечество действительно приближается к открытию «частиц» темной материи.
Источник: Научная публикация