Целые планеты, состоящие из таинственной темной материи, могут существовать. На этих планетах может действовать совсем другая физика, предполагают ученые.
Возможно, мы не нашли много планетных систем, подобных нашей Солнечной системе. Тем не менее, у них есть одна общая черта: кажется, что они сделаны из старой доброй барионной материи, из которой состоит наша планетарная система. Но что, если есть планеты, состоящие из другого материала: частиц вне Стандартной модели? Что, если есть планеты, состоящие из таинственного материала, который мы называем темной материей?
Никто не может так или иначе ответить на этот вопрос, по крайней мере, с нашими нынешними знаниями. Но группа ученых во главе с физиком-теоретиком Янгом Баем из Университета Висконсин-Мэдисон хотела знать, как проявятся эти гипотетические планеты и сможем ли мы обнаружить их, если они реальны.
Короткий ответ: да, если выполняются определенные условия, сообщили исследователи в статье на сервере препринтов arXiv.
В нашей Вселенной есть много выдающихся загадок. Темная материя – одна из самых больших. Мы не знаем, что она такое, как она выглядит и из чего состоит. Единственное, что мы знаем наверняка, это то, что гравитация во Вселенной серьезно превышает количество барионной материи.
После того, как вы учли каждую галактику, каждую звезду и каждое облако пыли, бесшумно и невидимо дрейфующее между звездами, гравитация по-прежнему намного выше, чем должна быть. Мы не знаем, что за это ответственно, но мы называем этот загадочный источник темной материей, и есть несколько теоретических кандидатов на это звание, которые исследуют ученые. В широком смысле этих кандидатов можно разделить на две категории: отдельные частицы и составные части, включая макроскопические капли темной материи или макросы, которые могут иметь массу планетарного масштаба. Как объясняют Бай и его коллеги, «макроскопическое состояние темной материи с массой и/или радиусом, подобными таковым у планеты, будет вести себя как темная экзопланета, если оно ограничено звездной системой, даже если физика, лежащая в основе объекта, напоминает что-то совсем другое».
Наши текущие методы обнаружения экзопланет в настоящее время в значительной степени основаны на влиянии экзопланеты на свет своей родительской звезды. Мы также можем использовать эту информацию для измерения свойств экзопланеты.
Проход экзопланеты между нами и своей звездой (такой проход называется транзит) приведет к тому, что свет звезды немного потускнеет. Астрономы могут измерить глубину затемнения, чтобы рассчитать радиус экзопланеты. Экзопланеты также заставляют свои звезды немного двигаться, поскольку они движутся вокруг общего центра тяжести, что можно обнаружить по изменениям длины волны света звезды. Количество движения, называемое радиальной скоростью, можно использовать для расчета массы экзопланеты.
Имея в руках эти измерения, мы можем рассчитать плотность экзопланеты и, таким образом, определить, как она устроена. Низкая плотность, как у Юпитера, подразумевает огромную разреженную атмосферу, газового гиганта. Более высокая плотность, как у Земли, подразумевает каменистый состав. Как правило, первые имеют больший радиус, а вторые меньшие.
По словам Бая и его коллег, это можно использовать для обнаружения потенциальных экзопланет из темной материи. Они могут иметь свойства, отличные от ожидаемых от обычных экзопланет, что противоречит нашему нынешнему пониманию формирования планет. Например, вы можете получить экзопланету с большей плотностью, чем железо, или с настолько низкой плотностью, что ее существование невозможно объяснить. В настоящее время таких не выявлено, но ученый может помечтать.
Кроме того, астрономы смогли исследовать атмосферы экзопланет на основе данных о транзитах. Они измеряют спектр света звезды во время прохождения и сравнивают его со светом звезды в обычном режиме, ища более тусклые и более яркие длины волн.
Это означает, что некоторое количество света было поглощено и/или переизлучено молекулами в атмосфере экзопланеты. Ученые могут анализировать эти данные, чтобы определить, что это за молекулы. Если транзитный спектр обнаружит серьезные аномалии, это может указывать на присутствие экзопланеты из темной материи.
Если радиальная скорость предполагает, что экзопланета должна пройти, а затем никакого прохождения не наблюдается, это может быть подсказкой, указывающей на экзопланеты из темной материи. И если транзитный провал, известный как кривая блеска, имеет неожиданную форму, это тоже может быть подсказкой.
«Из-за своей крошечной, но не исчезающей силы взаимодействия с частицами Стандартной модели экзопланета темной материи может быть не полностью непрозрачной, что делает форму кривой блеска отличимой от кривой обычной экзопланеты», пишут исследователи.
Бай и его коллеги рассчитали, как может выглядеть эта кривая блеска, заложив простую основу для более сложного теоретического анализа.
Команда отмечает, что есть несколько способов улучшить их расчеты. Например, они рассматривали только круговые орбиты, однако многие экзопланеты имеют эллиптические, особенно те, которые могли быть захвачены гравитацией звезды, как можно было бы ожидать от экзопланет из темной материи. Кроме того, свойства планет были относительно простыми.
«Дальнейшее изучение раннего формирования экзопланет темной материи – звездной системы и захвата экзопланет из темной материи – поможет выяснить возможность обнаружения экзопланет темной материи и будет необходимо для установления границ их распространенности ввиду того, что они до сих пор не обнаружены», заключают исследователи.
