Темная материя может заставить планеты вращаться быстрее

Фото из открытых источников

Темная материя — это запутанная концепция, которая балансирует на переднем крае космологии и физики. Мы не знаем, что это такое и как именно она вписывается в наше понимание Вселенной. Мы знаем только, что ее невидимая масса — важнейшая часть космоса.

Астрономы знают, что темная материя существует. Они могут судить об этом по вращению галактик, используя гравитационное линзирование и анализируя флуктуации в космическом микроволновом фоне. Но новые исследования показывают, что может быть другой способ обнаружить ее присутствие.

Исследование доступно на arxiv.org. Хайхао Ши из Синьцзянской астрономической обсерватории Китайской академии наук является ведущим автором. Все соавторы — из китайских научно-исследовательских институтов.

«Темная материя (ТМ) составляет примерно 85% содержания материи во Вселенной, о чем свидетельствуют многочисленные астрофизические и космологические наблюдения. Несмотря на ее повсеместное присутствие, фундаментальная природа и состав частиц темной материи остаются неуловимыми, указывая на новую физику за пределами Стандартной модели и общей теории относительности», — пишут авторы, излагая суть проблемы.

Новое исследование опирается на предыдущие исследования, предполагающие, что DM может проникать внутрь планет, явление, называемое захватом темной материи. Идея заключается в том, что гравитационное притяжение планет может притягивать частицы темной материи. Физика, лежащая в основе этого, сложна, но ученые работают над этим, в том числе пытаются оценить ее плотность внутри планет. Ученые ожидают, что плотность будет очень низкой, что затруднит ее обнаружение.

Существует множество объяснений того, чем может быть DM. Это могут быть первичные черные дыры, это могут быть аксионы или это могут быть слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). Есть и другие кандидаты. Но это исследование пытается ограничить свойства DM в планетарном масштабе, а не в микроскопическом или космическом.

«Планеты служат долгосрочными зондами эффектов темной материи, взаимодействуя с окружающим гало темной материи в течение миллиардов лет», — пишут авторы. «Эти взаимодействия могут привести к кумулятивным, наблюдаемым последствиям, таким как изменения температуры планеты, динамики вращения и свойств атмосферы».

Основная идея захвата темной материи заключается в том, что DM взаимодействует с планетарной материей и отдает энергию планете. Хотя темная материя и барионная материя не взаимодействуют и не сталкиваются в обычном смысле, они могут взаимодействовать из-за таких факторов, как квантовое туннелирование. Эти взаимодействия приводят к изменениям во вращении и температуре планеты, ускоряя одно и повышая другое. Ученые могут наблюдать эти изменения, и авторы разработали новый подход к их обнаружению.

Хотя физика сама по себе увлекательна, планетарная темная материя может влиять на обитаемость. «Более того, эффекты темной материи в планетарных масштабах могут влиять на обитаемость планет, изменяя тепловые условия, потенциально влияя на стабильность жидкой воды и эволюцию атмосферы», — говорится в статье.

Когда частицы темной материи попадают на планеты, они подвергаются рассеянию, захвату и аннигиляции. Когда они рассеиваются — или сталкиваются — они передают кинетическую энергию планетарным частицам, которая проявляется как тепло. То же самое происходит, когда они аннигилируют. Повышение температуры происходит из-за того, сколько темной материи поступает на планету, и входящая энергия также может ускорить период вращения планеты.

В своей работе исследователи смоделировали захват планет темной материи на 15 подтвержденных экзопланетах, включая такие, как 55 Cancri d (Lipperhey) и Epsilon Eridani b, обе из которых представляют особый интерес для ученых. Они также применили свою модель к Юпитеру и Земле.

«Наша теория предполагает, что энергия, выделяемая при нагревании темной материи, не полностью преобразуется в температуру, а распределяется в соответствии с внутренними свойствами планеты, такими как масса и радиус, а также ее текущим состоянием, включая температуру и угловую скорость», — пишут авторы.

Согласно исследованию, Земля не застрахована от захвата темной материи.

Темная материя может быть захвачена внутри Земли, где из-за квантовых эффектов она взаимодействует с барионной материей. Кредит изображения: ESA

Авторы пишут, что «... наши прогнозы предполагают, что совокупный приток энергии от темной материи и Солнца приведет к повышению температуры поверхностной атмосферы примерно на 0,015 К за 100 лет и на 0,15 К за 1000 лет».

Нагрев темной материи также может увеличить скорость вращения планеты, хотя это сложнее отличить от других влияний. Такие вещи, как приливные эффекты и землетрясения, также могут влиять на скорость вращения. «Для Земли мы предсказываем, что нагрев темной материи ускорит ее период вращения на порядок секунд за сто лет», — пишут они. Период вращения Земли сократится примерно на 12 секунд за 100 лет. За 1000 лет это составит 120 секунд. Это большие числа, и авторы говорят, что мы сможем обнаружить эти эффекты с помощью наземных методов измерения.

Авторы утверждают, что по мере того, как мы будем лучше понимать эти эффекты, они могут помочь нам понять обитаемость экзопланет.

«В будущем, когда человечество будет искать второй дом во Вселенной, влияние темной материи на вращение планет, предложенное в этой работе, может послужить ориентиром для оценки пригодности планет для жизни», — заключают они.