Загадочная тёмная материя ещё не обнаружена в природе в виде осязаемых частиц вещества, но учёные уже предложили методику для поиска целых планет из тёмной материи. Это кажется невозможным, но в целом физика поведения тёмной материи понятна, и планету из неё можно относительно легко отличить от планеты из обычного вещества, а с обнаружением обычных экзопланет у людей давно нет никаких проблем.

Источник изображения: Pixabay

Базовые алгоритмы для поиска планет из тёмной материи создала группа учёных из Университета Висконсин-Мэдисон. Очевидно, что поведение пары из звезды и экзопланеты из тёмной материи будет разительно отличаться от поведения звезды и обычной экзопланеты. Отличия будут во всех случаях, которые позволяют обнаружить экзопланеты. Чаще всего таких ситуации две: экзопланета проходит по диску звезды, и мы видим кратковременное и периодическое снижение блеска звезды; или звезда меняет радиальную скорость, что говорит о её колебательном движении вокруг общего центра масс звезда-экзопланета.

Предполагается, что тёмная материя может существовать как в виде частиц, так и в виде сгустков. Сгустки в виде макроскопических структур вполне могут иметь планетарную массу. Именно это предположение сделали учёные, начав работать над методикой поиска экзопланет из тёмного вещества. По их мнению, «макроскопическое состояние тёмной материи с массой и/или радиусом, похожими на планету, будет вести себя как тёмная экзопланета, если она ограничена звёздной системой, даже если физика, лежащая в основе объекта, напоминает что-то совсем другое».

Современные методы обнаружения экзопланет позволяют определить их ключевые свойства: радиус, массу и плотность. В некоторых случаях мы можем определить даже состав атмосферы экзопланеты. Это всё легко считается и отлично укладывается в разработанные модели от зарождения планет и звёзд до их гибели. Но если расчёты покажут нечто выходящее за рамки — экзопланету с плотностью выше, чем у железа или, наоборот, с плотностью близкой к нулю — всё это будет намекать на иную физику и, возможно, укажет на экзопланету из тёмного вещества.

Среди массы полученных об экзопланетах данных учёные не смогли найти открытия, выходящие за рамки привычной физики. Но чётко очертить такие рамки учёные себе позволили. Если удивительное открытие будет сделано, предложенные базовые методики облегчат объяснение явления и даже просто создадут условия для поиска экзопланет из тёмного вещества. Добавим, статью можно найти на сервере препринтов arXiv.

Тёмная материя может составлять до 27 % всего вещества во Вселенной, но до самого момента Большого взрыва мы видим только обычную материю, которой во Вселенной всего 5 %. Учёные до сих пор гадают, как обнаружить эту неуловимую субстанцию. Одной из возможностей считается детектирование тяжёлых частиц антиматерии из космоса, которые могут рождаться при аннигиляции вещества тёмной материи. Научиться бы узнавать такие частицы. И похоже учёные научились.

Источник изображения: Julien Ordan/CERN

Как сообщает Wired, несколько лет назад команда физика Ивана Воробьёва на Большом адронном коллайдере начала получать такую экзотическую форму антиматерии, как антиядра гелия-3. Учёные и раньше получали античастицы в экспериментах на БАК, но получить целые антиядра — это было проблемой. Тем не менее, начатые ещё в 70-е годы прошлого века эксперименты самим Воробьёвым и работа научной коллаборации ALICE на БАК позволила уверенно получать достаточное количество антиядер гелия-3, состоящих из двух антипротонов и одного антинейтрона. В последнем эксперименте учёные ALICE получили около 18 тыс. антиядер гелия-3, что позволило изучить их воздействие на обычную материю.

Чтобы детектировать антиядра гелия-3 из космоса и, тем самым, искать свидетельства присутствия там тёмной материи, нужно строить детекторы, которые однозначно будут определять это вещество. Для этого необходимо изучить, как пучки антиядер гелия-3 ведут себя в обычном веществе датчиков — это называется измерением сечения неупругого рассеяния. В данном случае учёные измеряли этот параметр для антиядер гелия-3, а БАК позволил создать для этого достаточное количество этих частиц.

Впрочем, с изучением пучка антиядер гелия-3 оставалась проблема. Сталкивание протонов в БАК и ядер свинца вело к разлёту «обломков крушения» в произвольные стороны. Ни о каком направленном пучке не могло быть и речи. И всё же, учёные смогли найти выход из этой ситуации. Некоторые антиядра гелия-3 попадали в датчики, уже размещённые на БАК для других экспериментов. В частности, попадания фиксировались системой регистрации внутренней трековой системы (ITS), время-проекционной камерой (TPC) и детектором переходного излучения (TRD). Из какого материала состоят эти датчики не тайна — о них известно всё и, тем самым, показания с этих сенсоров позволяют рассчитать рассеяние антиядер гелия-3 в материалах предложенных датчиков.

Так учёные получили данные, чтобы построить детектор антиядер гелия-3 космического происхождения. Но они пошли дальше. На основе полученных данных была построена модель, которая позволила оценить вероятность детектирования таких антиядер. Оказалось, что наша галактика весьма прозрачна для них. На пути с окраин галактики к нам теряется только 50 % антиядер гелия-3, что обещает с высокой вероятностью уловить эти процессы в космосе и, наконец, с большей уверенностью сказать, что там точно есть невидимое нам вещество.

Группа учёных из Университета штата Огайо представила статью, из которой следует, что тёмная материя могла быть давно открыта. Утверждение строится на возможно ошибочном представлении о природе этой неуловимой субстанции. Мы искали малые частицы, а тёмная материя может быть представлена частицами значительно большего размера. И эти частицы вполне могут скрываться в данных о микрометеорах, за которыми наука следит десятилетиями.

Источник изображения: arxiv.org

«Одной из причин, почему тёмную материю так трудно обнаружить, может быть то, что частицы настолько массивны, — заявил Джон Биком (John Beacom), профессор физики и астрономии Университета штата Огайо и соавтор исследования. — Если масса тёмного вещества мала, то частицы встречаются часто, но если масса велика, то частицы встречаются редко».

В процессе взаимодействия частиц тёмной материи с обычным веществом возникают свободные электроны. Детекторы пытаются обнаружить такие явления в специальных установках глубоко под землёй, куда обычные высокоэнергетические частицы обычно не пробиваются. Но если частицы тёмной материи больше по массе, то они могут быть способны выбивать электроны из газов в атмосфере Земли, подобно тому, как атмосфера ионизируется при вхождении в неё микрометеоров — пыли и мелких камушков из межпланетного пространства.

Учёные десятилетиями наблюдают за микрометеорами с помощью радаров. Возможно, в данных наблюдений скрываются бесценные сведения о тёмном веществе. Осталось только разработать соответствующую космологическую теорию и найти эти данные либо превратить атмосферу Земли в огромный детектор тёмной материи и искать её там, где до этого не искали.