Более 5 тысяч планет были обнаружены за пределами нашей Солнечной системы, что позволило учёным исследовать эволюцию планет и рассмотреть возможность существования внеземной жизни. Теперь исследование Калифорнийского университета в Риверсайде, опубликованное в журнале Physical Review D, предполагает, что экзопланеты, вращающиеся вокруг звёзд за пределами нашей Солнечной системы, также могут служить инструментами для изучения тёмной материи.
Учёные изучили, как тёмная материя, составляющая 85% материи Вселенной, может влиять на экзопланеты размером с Юпитер в течение длительных периодов времени. Их теоретические расчёты показывают, что частицы тёмной материи могут постепенно накапливаться в ядрах этих планет. Хотя тёмную материю никогда не удавалось обнаружить в лабораториях, физики уверены в её существовании.
«Если частицы тёмной материи достаточно массивны и не аннигилируют, они могут со временем коллапсировать в крошечную чёрную дыру», — сказал первый автор статьи Мехрдад Фороутан-Мехр, аспирант кафедры физики и астрономии, работающий с Хай-Бо Ю, профессором физики и астрономии.
«Эта чёрная дыра может затем расти и поглотить всю планету, превратив её в чёрную дыру с той же массой, что и у исходной планеты. Такой исход возможен только в рамках модели сверхтяжёлой неаннигилирующей тёмной материи», — добавил он.
Согласно модели сверхтяжёлой неаннигилирующей тёмной материи, частицы тёмной материи чрезвычайно массивны и не уничтожают друг друга при взаимодействии. Исследователи сосредоточились на этой модели, чтобы показать, как сверхтяжёлые частицы тёмной материи захватываются экзопланетами, теряют энергию и дрейфуют к их ядрам. Там они накапливаются и коллапсируют в чёрные дыры.
«В газовых экзопланетах различных размеров, температур и плотностей чёрные дыры могут формироваться в наблюдаемых временных масштабах, потенциально даже генерируя несколько чёрных дыр за время жизни одной экзопланеты», — сказал Фороутан-Мехр. «Эти результаты показывают, как исследования экзопланет могут быть использованы для поиска сверхтяжёлых частиц тёмной материи, особенно в регионах, где, как предполагается, её много, таких как центр галактики Млечный Путь».
Фороутан-Мехру помогала в исследовании Тара Феролф, научный сотрудник кафедры наук о Земле и планетных науках.
Фороутан-Мехр объяснил, что до сих пор астрономы обнаруживали только чёрные дыры с массой, превышающей массу Солнца. Он сказал, что большинство существующих теорий предполагают, что чёрные дыры должны быть по крайней мере такой массы.
«Обнаружение чёрной дыры с массой планеты стало бы серьёзным прорывом», — добавил он. «Это поддержало бы тезис нашей статьи и предложило бы альтернативу общепринятой теории о том, что чёрные дыры размером с планету могли образоваться только в ранней Вселенной».
По словам Фороутан-Мехра, экзопланеты не так часто использовались в исследованиях тёмной материи во многом потому, что у учёных не было достаточно данных о них.
«Но в последние годы наши знания об экзопланетах резко расширились, и несколько предстоящих космических миссий предоставят ещё более детальные наблюдения», — сказал он. «Благодаря растущему объёму данных экзопланеты можно использовать для проверки и опровержения различных моделей тёмной материи».
Фороутан-Мехр отметил, что ещё одним возможным эффектом тёмной материи на экзопланеты — и, возможно, на планеты в нашей Солнечной системе — является то, что она может нагревать их или вызывать излучение ими высокоэнергетического излучения.
«Сегодняшние инструменты недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить эти сигналы», — сказал он. «Будущие телескопы и космические миссии могут быть в состоянии их уловить».
Предоставлено Калифорнийским университетом в Риверсайде.