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.

Интересно Атмосфера горячего газового гиганта Осирис подтвердила механизм планетарной миграции

Как физики ищут темную материю

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 непосредственно 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 пока не удалось, несмотря на большое количество экспериментов по ее регистрации.

Обнаружить темную материю пытаются на самых разных масштабах исследуемых 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 настоящих маятников.

Все эти эксперименты, однако, предполагают, что темная материя даст о себе знать, взаимодействуя с детектором на Земле. Но есть и другой подход: выявить 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.

Использование Юпитера для поиска темной материи

Похожий подход к поиску темной материи выбрали Ребекка Лин из Стэнфордского университета и Тим Линден 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 (например, 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 мнению физиков, могут появляться в ходе распада рождающихся 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.


Данные по гамма-излучению в энергетическом диапазоне от 1 до 3 гигаэлектронвольт в окрестностях Юпитера / Фото arxiv.org

В ходе анализа ученые изучали данные, накопленные космическим гамма-телескопом "Ферми" за 12 лет наблюдений. Для определения вклада Юпитера в зарегистрированное телескопом гамма-излучение физики наблюдали за участком неба в окружении 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 разнице фона и наблюдений исследователи обнаруживали то, сколько гамма-квантов определенной энергии прилетало в телескоп непосредственно от Юпитера. В результате для большей части энергетического диапазона ученым не удалось выявить существенного вклада Юпитера в спектр регистрируемого гамма-излучения.

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 краю допустимых энергий телескопа "Ферми" имеют очень большие погрешности. 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.