Світіння на нічному боці Юпітера може бути вирішальним сигналом на користь існування темної матерії

Десь там, у Всесвіті, ховається ціла купа матерії, яку ми ще не змогли знайти.

І це не тривіальна кількість. Приблизно 70-80 відсотків усієї маси вважається загадковою речовиною, відомою як темна матерія. Звичайна матерія становить меншість. Це все, що ми можемо виявити – всі зірки, планети, чорні діри, пил, газ, місяці, люди.

То де ж уся ця темна матерія? Ну, ми не знаємо. Але є способи її виявлення, і один з них – прямо тут, у Сонячній системі.

На нічному боці Юпітера інфрачервоне світіння високо в атмосфері може бути викликане взаємодією з цим тіньовим матеріалом.

Там можна знайти велику кількість заряджених іонів водню, так званих триводневих катіонів (H3+). І хоча існує кілька космічних процесів, які можуть виробляти H3+ в атмосфері Юпітера, взаємодія з темною матерією може призвести до надлишку, що перевищує наші очікування.

“Ми вказуємо на те, що темна матерія може бути додатковим джерелом H3+ в атмосферах планет”, – пишуть фізики Карлос Бланко з Прінстонського та Стокгольмського університетів і Ребекка Ліне з Національної лабораторії прискорювачів Стенфордського центру лінійних прискорювачів (SLAC) та Стенфордського університету.

“Вона утворюється, якщо темна матерія розсіюється і захоплюється планетами, а згодом анігілює, виробляючи іонізуюче випромінювання”.

Деякі з процесів, які виробляють катіони триводню в іоносфері Юпітера. (Blanco & Leane, Phys. Rev. Lett., 2024)

Хоча ми не можемо виявити темну матерію безпосередньо, і хоча вона, здається, не взаємодіє зі звичайною матерією так, як ми можемо виявити опосередковано, є один спосіб її прояву. Об’єкти у Всесвіті рухаються ніби під впливом набагато більшої гравітації, ніж та, що створюється звичайною матерією.

Як тільки ми віднімаємо внесок нормальної матерії, гравітація, що залишилася, приписується темній матерії. Так ми знаємо, що щось існує, і можемо виміряти її кількість.

Існує багато різних теоретичних кандидатів на те, чим може бути темна матерія, і багато з цих кандидатів мають властивості, які можна виявити різними способами.

Одна з ідей полягає в тому, що темна матерія самознищується. Коли дві частинки темної матерії стикаються, вони знищують одна одну, виробляючи невеликий сплеск тепла або світла, або і того, і іншого.

Бланко і Ліне припускають, що ця анігіляція може відбуватися високо в атмосферах планет, у шарі, відомому як іоносфера. Частинки темної матерії захоплюються гравітацією планети і потрапляють в іоносферу, де їм загрожує взаємне знищення.

На думку дослідників, Юпітер був би найкращим місцем для спостереження за цим процесом. Це найбільше несонячне тіло в Сонячній системі з відносно холодним ядром, тому він був би найефективнішим уловлювачем темної матерії, доступним на місцевому рівні.

Коли сатурнівський зонд “Кассіні” пролітав повз Юпітер понад два десятиліття тому, він був оснащений приладом під назвою Спектрометр візуального та інфрачервоного картографування (VIMS), який якраз і міг виявити сигнатуру гіпотетичної анігіляції темної матерії.

Графік, що показує нові обмеження на темну матерію, введені в результаті досліджень. (Blanco & Leane, Phys. Rev. Lett., 2024)
Тепер ми очікуємо побачити не маленький пучок випромінювання від самої анігіляції, а її продукт. Це випромінювання може бути іонізуючим – тобто воно вибиває електрони з атомів в іоносфері. В результаті утворюється позитивно заряджений H3+, інфрачервоне світіння якого можна було виявити за допомогою VIMS.

Проблема полягає в тому, що в Сонячній системі відбувається багато іонізуючих процесів. Сонячне випромінювання може бути іонізуючим. Юпітер має величезні, потужні полярні сяйва на своїх полюсах, які теж виробляють H3+. Тож Бланко та Ліне проаналізували вимірювання з екваторіального регіону Юпітера вночі, протягом трьох годин по обидва боки від юпітеріанської півночі, коли авроральні впливи мінімальні і сонячне світло не може втручатися в іоносферу.

Хоча надлишку H3+ виявлено не було, результати дозволили дослідникам встановити обмеження на поведінку цього конкретного типу темної матерії, надавши важливу інформацію для виявлення темної матерії на інших планетах за межами Сонячної системи.

“Ми вперше показали, що темна матерія може виробляти іонізуюче випромінювання в планетарних атмосферах, яке можна виявити за допомогою надлишку атмосферних катіонів тригідрогену”, – пишуть Бланко і Ліне.

“Іонізація атмосфери темною матерією може бути виявлена на екзопланетах Юпітера за допомогою майбутніх високоточних вимірювань планетних спектрів”.