В наших поисках понимания темной материи у Юпитера может быть ответ

В ходе анализа исследователи изучили данные, накопленные за 12 лет эксплуатации гамма-телескопа Ферми, но не нашли в них убедительных доказательств избытка гамма-квантов, источником которых могла быть темная материя.

Однако в нижней части диапазона чувствительности телескопа физикам удалось зарегистрировать пик интенсивности гамма-излучения Юпитера, что требует дополнительного анализа с помощью телескопов нового поколения.

Физики давно занимаются поисками избыточного вещества неизвестного происхождения, о котором мы косвенно знаем из нескольких наблюдаемых явлений. Итак, существование такой формы материи, которая не принимает прямого участия в электромагнитном взаимодействии, но при этом составляет 85 процентов массы материи Вселенной.

Более того, это объяснило бы аномально высокую скорость вращения внешних областей галактик, эффекты гравитационного линзирования и даже особенности неоднородностей реликтового излучения.

Именно эта гипотетическая форма материи получила название темной, но обнаружить ее напрямую пока не удалось, несмотря на обилие экспериментов по ее регистрации.

Предпринимаются попытки обнаружить темную материю на различных масштабах исследуемых объектов с самыми разнообразными механизмами ее взаимодействия с обычной материей. Итак, следы темных бозонов промежуточной массы. ищутся в энергетических спектрах атомов существование легчайших частиц темной материи ограничено в экспериментах с атомными часами и сверхтяжелыми темными частицами предложить обнаруживать с помощью большого количества реальных маятников.

Однако все эти эксперименты предполагают, что темная материя даст о себе знать при взаимодействии с детектором на Земле. Но есть и другой подход: вы можете обнаруживать и изучать темную материю, наблюдая ее естественные скопления рядом с массивными объектами, к которым она будет притягиваться из-за гравитационного взаимодействия.

В том числе и физики регистр астрофизические нейтрино, которые могут рождаться в компактных галактиках-спутниках при аннигиляции темной материи.

Можно ли использовать Юпитер в качестве детектор темной материи?

Ребекка Лин из Стэнфордского университета и Тим Линден из Стокгольмского университета применили аналогичный подход к поиску темной материи. Физики предположили, что объектом, который притягивает и накапливает большие объемы темной материи, может быть Юпитер, и что его можно использовать для прямого поиска следов существования этой формы материи.

В пользу такого выбора говорят три фактора: Юпитер одновременно тяжелый, холодный и расположен близко к Земле. Большая масса позволяет более притягивать темную материю, относительно низкая температура (например, по сравнению с Солнцем) означает, что большая часть кинетической энергии не будет передаваться частицами темной материи, а это означает, что большие ее объемы будут держался вокруг Юпитера.

Наконец, близость к Земле позволяет регистрировать больший поток гамма-квантов, которые, по устоявшемуся мнению физиков, могут возникать при распаде долгоживущих частиц, рожденных при аннигиляции темной материи.

Именно промежуточные частицы делают возможным такой подход к регистрации темной материи: последняя должна накапливаться в центре Юпитера, и эти частицы могут покинуть свои плотные слои и распасться за его пределами, в то время как сами гамма-кванты не смогут выйти из центра планеты.

В ходе анализа ученые изучили данные, накопленные гамма-телескопом Ферми за 12 лет наблюдений.

Чтобы определить вклад Юпитера в регистрируемое телескопом гамма-излучение, физики наблюдали участок неба в районе 45 градусов от самой планеты, а в качестве фона они взяли усредненные данные за то время, когда газовый гигант находился за пределами этой области неба.

Исследователи оценили, сколько гамма-квантов определенной энергии попало в телескоп непосредственно с Юпитера, по разнице между фоном и наблюдениями. В результате для большей части диапазона энергий ученым не удалось обнаружить значительный вклад Юпитера в спектр регистрируемого гамма-излучения.

Исключение составили данные, полученные для гамма-квантов с энергиями от 10 до 15 мегаэлектронвольт — нижнего предела возможностей детектора на телескопе Ферми. В этом диапазоне энергий вклад Юпитера оказался значительным, особенно для энергий менее 11,2 мегаэлектронвольт: для этого диапазона со статистической точностью 4,6σ можно сказать, что газовый гигант испускал избыточные гамма-кванты.

Тем не менее авторы относятся к полученным данным с осторожностью, поскольку наблюдения на самом краю допустимых энергий телескопа Ферми имеют очень большую погрешность. Ученые считают, что полученные данные следует проверить, когда AMEGO а также Обсерватории e-ASTROGAM запустил который идеально подходит для регистрации гамма-квантов с энергиями в несколько мегаэлектронвольт.

Однако уже сейчас на основе полученных данных физикам удалось наложить ограничения на взаимодействие темной материи с обычной материей, которые на порядки превышают ранее полученные пороги.

Неудивительно, что исследователи хотят убедиться в достоверности полученных данных: недавно мы говорили о том, как эксперимент ANAIS сделал не воспроизводить результаты другого эксперимента по поиску темной материи DAMA / LIBRA, который уже почти 20 лет сообщает о следах регистрации темных частиц.