Юпитер использовали как детектор темной материи


Юпитер использовали как детектор темной материи

Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021

Физики впервые проанализировали гамма-излучение Юпитера в поисках следов аннигиляции темной материи. По мнению ученых, газовые

гиганты в ходе движения сквозь галактическое гало могут захватывать и накапливать

частицы темной материи за счет своей большой массы и малой температуры. В ходе

анализа исследователи изучали данные, накопленные за 12 лет работы космического

гамма-телескопа «Ферми», но

не нашли в них убедительных доказательств избытка гамма-квантов, источником

которых могла бы быть темная материя. Однако, на нижней границе диапазона чувствительности

телескопа физики смогли зарегистрировать пик интенсивности гамма-излучения Юпитера,

который требует дополнительного анализа с помощью телескопов нового поколения. Препринт

статьи доступен на сайте arxiv.org.

Физики уже очень давно заняты поиском избыточной материи

неизвестного происхождения, о которой мы косвенно знаем по целому ряду наблюдаемых явлений.

Так, существование такой формы материи, которая напрямую не участвует в

электромагнитном взаимодействии, но при этом составляет 85 процентов массы материи

во Вселенной, позволило бы объяснить аномально высокую скорость вращения

внешних областей галактик, эффекты гравитационного линзирования и даже

особенности в неоднородностях реликтового излучения. Именно эта гипотетическая форма

материи и получила название темной, но обнаружить ее напрямую пока не удалось,

несмотря на обилие экспериментов по ее регистрации.

Обнаружить темную материю пытаются на самых разных масштабах

изучаемых объектов с большим разнообразием механизмов ее взаимодействия с обычной

материей. Так, следы темных бозонов промежуточной массы ищут в энергетических

спектрах атомов, существование легчайших частиц темной материи ограничивают

в экспериментах с атомными часами, а сверхтяжелые темные частицы предлагают

детектировать с помощью большого количества самых настоящих маятников. Все эти

эксперименты, однако, предполагают, что темная материя даст о себе знать,

взаимодействуя с детектором на Земле. Но есть и иной подход: обнаружить и

изучить темную материю можно, наблюдая за ее естественными скоплениями рядом с

массивными объектами, к которым она бы притягивалась за счет гравитационного

взаимодействия. В том числе и для этого физики регистрируют

астрофизические нейтрино, которые могут родиться в компактных галактиках-спутниках

в ходе аннигиляции темной материи.

Похожий подход к поиску темной материи выбрали Ребекка Лин (Rebecca

Leane) из Стэнфордского университета и Тим Линден (Tim Linden) из Стокгольмского

университета. Физики предположили, что объектом, притягивающим и накапливающим

в больших объемах темную материю, может быть Юпитер, и что его можно

использовать для прямого поиска следов существования этой формы вещества. В

пользу такого выбора говорят три фактора: Юпитер одновременно тяжелый, холодный

и расположен близко к Земле. Большая масса позволяет сильнее притягивать темную

материю, относительно малая температура (к примеру, в сравнении с Солнцем)

означает, что частицами темной материи не будет передаваться много кинетической

энергии, а значит большие ее объемы будут удерживать вокруг Юпитера. Наконец,

близость к Земле позволяет регистрировать больший поток гамма-квантов, которые,

по устоявшемуся мнению физиков, могут появляться в ходе распада рожденных при

аннигиляции темной материи долгоживущих частиц. Именно промежуточные частицы

делают возможным такой подход к регистрации темной материи: последняя должна накапливаться

в центре Юпитера, а эти частицы способны покинуть его плотные слои и распасться

уже за его пределами, в то время как сами гамма-кванты не смогли бы выбраться

из центра планеты.

Юпитер использовали как детектор темной материи

Схематичное изображение аннигиляции темной материи в центре Юпитера с рождением промежуточных долгоживущих частицы и их распадом на гамма-кванты

Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021

В ходе анализа ученые изучали данные, накопленные космическим

гамма-телескопом «Ферми» за 12 лет наблюдений. Для определения вклада Юпитера в зарегистрированное

телескопом гамма-излучения физики наблюдали за участком неба в окрестности 45

градусов от самой планеты, а в качестве фона брали усредненные данные за то

время, когда газовый гигант находился за пределами этой области небосвода. По

разности фона и наблюдений исследователи судили о том, сколько гамма-квантов определенной

энергии прилетало в телескоп непосредственно от Юпитера. В результате для большей

части энергетического диапазона ученым не удалось обнаружить существенного

вклада Юпитера в спектр регистрируемого гамма-излучения.

Юпитер использовали как детектор темной материи

Данные по гамма-илучению в энергетическом диапазоне от 1 до 3 гигаэлектронвольт в окрестности Юпитера. Слева сверху – с учетом Юпитера, справа сверху – фон, слева снизу – разность данных и фона, справа снизу – Юпитер в рамках разрешающей способности телескопа Fermi

Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021

Юпитер использовали как детектор темной материи

Данные по гамма-илучению в энергетическом диапазоне от 10 до 15 мегаэлектронвольт в окрестности Юпитера. Слева сверху – с учетом Юпитера, справа сверху – фон, слева снизу – разность данных и фона, справа снизу – Юпитер в рамках разрешающей способности телескопа Fermi

Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021

Исключением оказались данные, полученные для гамма-квантов с

энергией между 10 и 15 мегаэлектронвольт — нижним пределом возможностей детектора

на телескопе «Ферми». В

этом диапазоне энергий вклад Юпитера оказался существенным, особенно для

энергий менее 11.2 мегаэлектронвольт: для этого диапазона можно со статистической

точностью в 4,6σ сказать,

что газовый гигант излучал избыточные гамма-кванты. Тем не менее, авторы относятся

к полученным данным с настороженностью, ведь наблюдения на самом краю

допустимых энергий телескопа «Ферми» обладают очень большой погрешностью. Ученые считают, что

полученные данные необходимо проверить при запуске обсерваторий AMEGO и

e-ASTROGAM, которые будут

идеально подходить для регистрации гамма-квантов с энергией в несколько мегаэлектронвольт.

Однако уже сейчас на основании полученных данных физикам удалось наложить

ограничения на взаимодействие темной материи с обычным веществом, которые на порядки

превосходят ранее полученные пороги.

Юпитер использовали как детектор темной материи

Полученные ограничения на сечение рассеяния темной частицы в зависимости от массы

Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021

Не удивительно, что исследователи хотят убедиться в

достоверности полученных данных: недавно мы рассказывали о том, как эксперимент

ANAIS не воспроизвел результаты другого

эксперимента по поиску темной материи DAMA/LIBRA,

который вот уже почти 20 лет сообщает о следах регистрации темных частиц. А

подробнее про то, почему для физиков так важна темная материя, можно почитать в

нашем материале «Невидимый

цемент Вселенной».

Никита Козырев

Источник: nplus1.ru



Логотип Labuda.blog
Авторизоваться с помощью: 
Яндекс.Метрика