Далекие экзопланеты могут помочь нам разгадать загадку темной материи

Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая не участвует в электромагнитных взаимодействиях, из-за чего ее нельзя увидеть напрямую. Тем не менее, он имеет массу, а значит, может взаимодействовать с обычным веществом посредством гравитации и, возможно, посредством других экзотических механизмов.

Предположение о существовании такой формы материи позволяет физикам объяснить множество явлений, которые в остальном кажутся парадоксальными. К таким явлениям, например, относятся аномально высокие скорости вращения периферийных областей галактики, эффекты гравитационного линзирования с неизвестным источником скрытой массы и даже странности в неоднородностях распределения реликтового излучения.

До сих пор физикам не удавалось напрямую увидеть взаимодействие частиц темной материи с обычной материей в многочисленных экспериментах с попытками зарегистрировать его напрямую. Но именно такие эксперименты нужны, 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 значительная его часть находится в так называемом галактическом гало (и чем ближе к центру галактики, тем оно больше) и не дает галактикам разлетаться.

Этот теоретический факт уже использовался в экспериментах, в которых физики пытались зарегистрировать темные частицы при движении Земли через галактическое гало, но их последние результаты говорят об отсутствии следов регистрации темной материи.

Астрономические объекты меньшего размера также могут быть точками потенциального скопления частиц материи: темная материя из галактического гало может рассеиваться и притягиваться тяжелыми планетами, нейтронными звездами или белыми карликами.

В случае планет, температура которых относительно низкая и не позволяет частицам темной материи приобретать достаточно энергии для преодоления их гравитации, темные частицы будут накапливаться в их центрах в очень больших количествах.

Экзопланеты как детекторы темной материи?

В новом исследовании физики показали, что измерения температуры экзопланет могут помочь в поисках темной материи, к классу которой они отнесли как просто планеты за пределами Солнечной системы, так и планеты-сироты (без звездной орбиты) и коричневые карлики. расположены в единой системе со звездой.

Для этого ученые использовали тот факт, что взаимодействие продуктов аннигиляции темной материи в центрах экзопланет должно нагревать саму экзопланету, и чем ближе планета находится к центру галактики, тем больше этот эффект из-за увеличения в плотности распределения темной материи.

Помимо низкой температуры, исследователи указали на ряд преимуществ экзопланет для таких поисков темной материи. Итак, уже запущена огромная кампания по поиску экзопланет, и темпы их открытия только растут: большинство из них было обнаружено за последние 5 лет, и на данный момент открыто 4324 экзопланеты, а еще 5695 кандидатов — в процессе изучения.

Это означает, что у физиков будет много возможностей для регистрации температуры таких объектов, и она будет только расти, потому что количество экзопланет в нашей Галактике может в конечном итоге достичь 300 миллиардов.

Кроме того, экзопланеты имеют большую площадь поверхности, а это значит, что их температуру можно измерять на большем расстоянии по сравнению с такими же нейтронными звездами. Очень скоро космический телескоп Джеймса Уэбба позволит наблюдать экзопланеты в инфракрасном диапазоне, а значит, ученые смогут рассчитывать их температуру.

Чтобы понять, как темная материя может влиять на температуру конкретной экзопланеты, физики рассчитали возможное количество темных частиц разной массы, захваченных экзопланетой, используя три разных профиля распределения плотности темной материи в галактическом гало.

По этой величине физики могли судить, какой тепловой поток будет генерироваться при аннигиляции темных частиц на фотоны или другие частицы в центре экзопланет, что, в свою очередь, зависит от поперечного сечения взаимодействия темной материи с обычное дело.

Моделирование показало, что чувствительность Джеймса Уэбба позволит наблюдать изменения температуры в коричневых карликах малых и средних масс на расстоянии около 0,1 килопарсека от центра Галактики, где вклад темной материи в нагрев планеты должен быть значительным.

Наблюдения за газовыми гигантами, по выводам физиков, также позволят усилить существующие ограничения, но только на 3 порядка.