Свечение в ночи Юпитера может быть сигналом о существовании темной материи

Где-то там, во Вселенной, скрывается целая куча материи, которую нам не удалось найти.

И это тоже немалое количество. Примерно от 70 до 80 процентов всей массы считается загадочным веществом, известным как темная материя. Обычная материя составляет меньшинство. Это все, что мы можем обнаружить – все звезды, планеты, черные дыры, пыль, газ, спутники, люди.

Так где же вся эта темная материя? Ну, мы не знаем. Но есть способы, которыми мы можем его обнаружить, и один из них находится прямо здесь, в Солнечной системе.

На ночной стороне Юпитера инфракрасное свечение высоко в атмосфере может создаваться взаимодействие с этим темным материалом.

Там в изобилии можно обнаружить заряженные ионы водорода, называемые триводородными катионами (H3+). И хотя существует несколько космических процессов, которые могут производить H₃⁺ в атмосфере Юпитера, взаимодействие с темной материей может привести к избытку, превышающему тот, который мы ожидаем обнаружить. .

«Мы отмечаем, что темная материя может производить дополнительный источник H₃⁺ в планетных атмосферах», — пишут физики Карлос Бланко из Принстонского университета. и Стокгольмского университета, а также Ребекки Лин из Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) и Стэнфордского университета.

«Это произойдет, если темная материя рассеется и захватится планетами и, следовательно, аннигилирует, производя ионизирующее излучение.»

Хотя мы не можем обнаружить темную материю напрямую, и хотя она, похоже, не взаимодействует с обычной материей так, как мы можно обнаружить косвенно, есть один способ проявления. Кажется, что объекты во Вселенной движутся так, как будто они находятся под влиянием гораздо большей гравитации, чем та, которую создает обычная материя.

Как только мы вычитаем вклад обычной материи, оставшаяся гравитация приписывается темной материи. Так мы узнаем, что что-то есть, и можем измерить, сколько этого есть.

Существует много различных теоретических кандидатов на то, чем может быть темная материя, и многие из этих кандидатов обладают свойствами, которые можно обнаружить в разными способами.

Одна из идей заключается в том, что темная материя самоуничтожается. Когда две частицы темной материи сталкиваются, они уничтожают друг друга, производя небольшой всплеск тепла или света, или того и другого.

Бланко и Лин предполагают, что эта аннигиляция может происходить высоко в атмосферах планет, в слой, известный как ионосфера. Частицы темной материи захватываются гравитацией планеты и попадают в ионосферу, где им грозит взаимное уничтожение.

Юпитер был бы лучшим местом для поиска этого процесса, считают исследователи. Это самое большое несолнечное тело в Солнечной системе с относительно холодным ядром, поэтому оно может быть самым эффективным поглотителем темной материи, доступным на местном уровне.

Когда зонд Сатурна «Кассини» пролетал мимо Юпитера более двух десятилетий назад он был оснащен прибором под названием Спектрометр визуального и инфракрасного картирования (VIMS), который, возможно, обнаружил признаки предполагаемой аннигиляции темной материи.

Теперь мы ожидаем увидеть не небольшой выброс радиации от самой аннигиляции, а его продукт. Это излучение может быть ионизирующим, то есть оно выбивает электроны из атомов в ионосфере. В результате образуется положительно заряженный H₃⁺, инфракрасное свечение которого было обнаружено с помощью VIMS.

Проблема в том, что существует много ионизирующих процессы, происходящие в Солнечной системе. Солнечное излучение может быть ионизирующим. На полюсах Юпитера есть огромные и мощные полярные сияния, которые также производят H₃⁺. Поэтому Бланко и Лиан изучили измерения в экваториальной области Юпитера в ночное время, в течение трех часов по обе стороны от юпитерианской полуночи, где влияние полярных сияний минимально и никакой солнечный свет не может влиять на ионосферу.

Хотя и нет избыточного H3⁺, результаты позволили исследователям наложить ограничения на то, как должен вести себя этот конкретный тип темной материи, предоставив важную информацию для обнаружения темной материи на других планетах за пределами Солнечная система.

«Мы впервые указали и показали, что темная материя может производить ионизирующее излучение в планетных атмосферах, которое можно обнаружить по избытку атмосферных катионов триводорода», — Бланко и Лин пишет.

«Атмосферная ионизация темной материи может быть обнаружена на экзопланетах Юпитера с помощью будущих высокоточных измерений планетарных спектров».

Результаты исследования опубликованы в Physical Review Письма.