Темна матерія — це плутана концепція, яка балансує на передніх краях космології та фізики. Ми не знаємо, що це таке і як саме воно вписується в наше розуміння Всесвіту. Ми лише знаємо, що його невидима маса є важливою частиною космосу. Астрономи знають, що темна матерія існує. Вони можуть визначити, як обертаються галактики, використовуючи гравітаційне лінзування та аналізуючи флуктуації космічного мікрохвильового фону. Але нові дослідження показують, що може бути інший спосіб виявити його присутність.
Дослідження називається «Темна матерія (S)pins the Planet» і доступне на сервері препринтів arXiv . Хайхао Ши з Сіньцзянської астрономічної обсерваторії Китайської академії наук є провідним автором. Усі співавтори є китайськими дослідницькими установами.
«Темна матерія (DM) становить приблизно 85% вмісту матерії Всесвіту, про що свідчить безліч астрофізичних і космологічних спостережень. Незважаючи на її повсюдну присутність, фундаментальна природа і склад частинок темної матерії залишаються невловимими, що вказує на нову фізику за межами Стандартної моделі та загальної теорії відносності», – пишуть автори, акуратно описуючи проблему.
Дослідження ґрунтується на попередніх дослідженнях, які припускають, що DM може проникати в нутрощ планет, це явище називається планетарним захопленням темної матерії. Ідея полягає в тому, що гравітаційне тяжіння планет може притягувати частинки темної матерії. Фізика, що стоїть за цим, складна, але вчені працюють над цим, зокрема намагаються оцінити його щільність всередині планет. Вчені очікують, що щільність буде дуже низькою, що ускладнить виявлення.
Існують різні пояснення того, чим може бути ЦМ. Це можуть бути первинні чорні діри, це можуть бути аксіони, або це можуть бути слабко взаємодіючі масивні частинки (WIMP). Є й інші кандидати. Але це дослідження намагається обмежити властивості DM у планетарному масштабі, а не в мікроскопічному чи космічному масштабі.
«Планети служать довгостроковими зондами впливу темної матерії, взаємодіючи з навколишнім ореолом темної матерії протягом мільярдів років», — пишуть автори. «Ці взаємодії можуть призвести до кумулятивних спостережуваних наслідків, таких як зміни планетарної температури, динаміки обертання та властивостей атмосфери».
Основна ідея захоплення темної матерії полягає в тому, що DM взаємодіє з планетарною матерією та відкладає енергію на планету. Хоча темна матерія та баріонна матерія не взаємодіють і не стикаються у звичайному сенсі, вони можуть взаємодіяти через такі фактори, як квантове тунелювання. Ці взаємодії призводять до змін обертання та температури планети, прискорюючи одне й підвищуючи інше. Вчені можуть спостерігати ці зміни, і автори розробили новий підхід до їх виявлення.
Хоча сама фізика захоплююча сама по собі, темна матерія планети може вплинути на придатність для життя. «Крім того, вплив темної матерії в планетарному масштабі може вплинути на придатність планети для проживання шляхом зміни теплових умов, потенційно впливаючи на стабільність рідкої води та еволюцію атмосфери», — йдеться в документі.
Коли частинки темної матерії потрапляють на планети, вони піддаються розсіюванню, захопленню та анігіляції. Коли вони розсіюються або стикаються, вони передають планетарним частинкам кінетичну енергію, яка проявляється як тепло. Те саме відбувається, коли їх знищують. Підвищення температури пов’язане з тим, скільки темної матерії потрапляє на планету, а введена енергія також може прискорити період обертання планети.
У своїй роботі дослідники змоделювали захоплення темної матерії планети на 15 підтверджених екзопланетах, включаючи такі, як 55 Cancri d (Ліпперхей) і Епсилон Ерідані b, обидві особливо цікаві для вчених. Вони також застосували свою модель до Юпітера та Землі.
«Наша теорія припускає, що енергія, отримана від нагрівання темної матерії, не повністю перетворюється на температуру, а розподіляється відповідно до внутрішніх властивостей планети, таких як маса та радіус, а також її поточного стану, включаючи температуру та кутову швидкість», — пишуть автори.
Відповідно до дослідження, Земля не захищена від захоплення темної матерії.
Автори пишуть, що «…наші прогнози припускають, що комбіноване надходження енергії від темної матерії та сонця призведе до підвищення температури поверхні атмосфери приблизно на 0,015 К протягом 100 років і на 0,15 К протягом 1000 років».
Нагрівання темної матерії також може збільшити швидкість обертання планети, хоча це важче відрізнити від інших впливів. Такі речі, як припливи та землетруси, також можуть впливати на швидкість обертання. «Для Землі ми прогнозуємо, що нагрівання темної матерії прискорить період її обертання на порядок секунд на сто років», — пишуть вони.
Період обертання Землі за 100 років зменшиться приблизно на 12 секунд. За 1000 років це 120 секунд. Це великі цифри, і автори кажуть, що ми зможемо виявити ці ефекти за допомогою наземних методів вимірювання. Автори стверджують, що якщо ми краще зрозуміємо ці ефекти, вони можуть допомогти нам зрозуміти життєздатність екзопланет.
«У майбутньому, коли людство буде шукати другий дім у Всесвіті, вплив темної матерії на обертання планет, запропонований у цій роботі, може слугувати орієнтиром для оцінки життєздатності планети», – підсумовують вони.
