Юпитер использовали как детектор темной материи
13 апреля 2021 года
13:37
Юпитер использовали как детектор темной материи
Текст новости:


Ученые посмотрели на гамма-излучение планеты и использовали его для ограничения взаимодействия темных частиц



Текст со страницы (автоматическое получение):
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.
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
Поделиться
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.
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
Поделиться
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
Поделиться
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.
Полученные ограничения на сечение рассеяния темной частицы в зависимости от массы
Rebecca Leane and Tim Linden / arxiv.org, 2021
Поделиться
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
Автоматическая система мониторинга и отбора информации
Источник
Другие материалы рубрики