Десь у Всесвіті прихована велика кількість матерії, яку ми досі не виявили. Вважається, що від 70 до 80 відсотків усієї маси складається з загадкової субстанції, відомої як темна матерія, тоді як звичайна матерія є в меншості.
Отже, де ж уся ця темна матерія? Насправді, ми не знаємо. Проте існують методи, за допомогою яких ми можемо її виявити, і один з таких методів знаходиться прямо тут, у Сонячній системі.
Інфрачервоне світіння, яке спостерігається на нічному боці Юпітера у високих шарах атмосфери, можливо, є результатом взаємодії з цією таємничою матерією.
Там у великій кількості можна виявити заряджені іони водню, відомі як тригідроген-катіони (H3+). Хоча існує декілька космічних процесів, здатних синтезувати H3+ у атмосфері Юпітера, взаємодія з темною матерією може спричинити надлишок цих іонів, який очікується бути виявленим.
“Ми вказуємо, що темна матерія може створювати додаткове джерело H3+ у планетарних атмосферах,” – зазначають фізики Карлос Бланко з Прінстонського та Стокгольмського університетів та Ребекка Лін з Національної лабораторії прискорювачів Стенфордського центру лінійних прискорювачів (SLAC) і Стенфордського університету.
“Це відбудеться, якщо темна матерія розсіюється, захоплюється планетами і, відповідно, анігілює, виробляючи іонізуюче випромінювання”.
Хоча ми не можемо безпосередньо спостерігати темну матерію, і вона, здається, не взаємодіє зі звичайною матерією настільки, щоб ми могли це виявити, існує спосіб її опосередкованого виявлення. Об’єкти у Всесвіті, схоже, рухаються під впливом сили тяжіння, яка значно перевищує ту, що створюється звичайною матерією.
Коли ми відкидаємо внесок звичайної матерії, залишкова гравітація приписується темній матерії. Так ми можемо не тільки підтвердити її існування, але й оцінити її кількість у Всесвіті.
Існує безліч теоретичних кандидатів, які можуть пояснити природу темної матерії, багато з яких мають властивості, що дозволяють їх ідентифікувати за допомогою різних методів.
Одна з гіпотез стверджує, що темна матерія може самознищуватися. У випадку зіткнення двох частинок темної матерії, вони анігілюють одна одну, викликаючи невеликий вибух тепла або світла, або і того, і іншого.
Бланко та Леан припускають, що така анігіляція можлива на великих висотах в атмосферах планет, зокрема в іоносфері. Частинки темної матерії можуть бути захоплені гравітаційною силою планети і потрапити в іоносферу, де вони піддаються ризику взаємного знищення.
Дослідники вважають, що Юпітер є найкращим місцем для виявлення цього процесу. Як найбільше тіло в Сонячній системі після Сонця з відносно холодним ядром, він може бути найефективнішим ловцем темної матерії на місцевому рівні.
Читайте також: Космічний зонд Juice вирушив до Юпітера
Зараз очікується, що замість невеликої смуги радіації від самої анігіляції, буде спостережено її продукт. Це випромінювання може бути іонізуючим, вибиваючи електрони з атомів в іоносфері, що призводить до утворення позитивно зарядженого H3+, інфрачервоне світіння якого було зафіксовано VIMS.
Однак, в Сонячній системі існує багато іонізуючих процесів. Сонячне випромінювання також може бути іонізуючим. На полюсах Юпітера присутні потужні полярні сяйва, які виробляють H3+. Тому Бланко та Лін зосередили увагу на вимірюваннях в екваторіальному регіоні Юпітера вночі, протягом трьох годин до і після півночі Юпітера, де полярні сяйва є мінімальними, а сонячне світло не впливає на іоносферу.
Хоча надлишок іонів H3+ не був виявлений, отримані результати дозволили вченим встановити обмеження на поведінку цього специфічного типу темної матерії, що є важливою інформацією для пошуку темної матерії на інших планетах поза Сонячною системою.
“Ми вперше визначили та продемонстрували, що темна матерія може створювати іонізуюче випромінювання у планетарних атмосферах, яке можна виявити за допомогою зайвої кількості триводневих катіонів,” – зазначають Бланко та Лін.
“Іонізацію атмосфери темною матерією можна буде виявити на екзопланетах, схожих на Юпітер, за допомогою майбутніх високоточних спектральних вимірювань.”
Дослідження опубліковано в Physical Review Letters