Пусть пока мы и не нашли много планетных систем, подобных нашей Солнечной системе. Тем не менее, мы знаем одну их общую черту: они состоят из обычной барионной материи – той самой, из которой состоит наша планетная система.
Но что, если существуют планеты, сделанные из других материалов: частиц, находящихся за пределами Стандартной модели? Что, если есть планеты, состоящие из загадочного материала, который мы называем темной материей?
Никто не может однозначно ответить на этот вопрос, по крайней мере, с нашими нынешними знаниями. Но группа ученых под руководством физика-теоретика Яна Бая из Университета Висконсин-Мэдисон захотела узнать, как будут проявляться гипотетические планеты из темной материи – и сможем ли мы их обнаружить, если они существуют.
Наша Вселенная полна загадок, но одна из самых больших – темная материя. Мы не знаем, что это такое, мы не знаем, как она выглядит, и мы не знаем из чего она состоит. Единственное, что мы знаем наверняка, это то, что гравитация во Вселенной серьезно превышает количество обычной барионной материи.
Если учесть каждую галактику, каждую звезду и каждое облако межзвездной пыли, то гравитация все равно намного больше, чем должна быть. Мы не знаем, что за это отвечает, но мы называем этот таинственный источник “темной материей”, и есть несколько теоретических кандидатов на это звание, которые ученые исследуют.
В целом, этих кандидатов можно разделить на две категории: отдельные частицы и композиты, включая макроскопические сгустки темной материи, или макросгустки (макросы), которые могут иметь массу планетарного масштаба. И, как объясняют Бай и его коллеги, “макроскопическое состояние темной материи с массой и/или радиусом, сопоставимой с размером планеты, будет вести себя как темная экзопланета, если она ограничена звездной системой, даже если физика, лежащая в основе объекта, будет напоминать что-то совсем другое”.
Наши нынешние методы обнаружения экзопланет в значительной степени основаны на эффекте, который экзопланета оказывает на свет звезды-хозяйки. Мы также можем использовать эту информацию для измерения свойств экзопланеты.
Прохождение экзопланеты между нами и ее звездой, известное как транзит, приведет к тому, что свет звезды немного потускнеет для наблюдателя с Земли. Астрономы могут измерить глубину затемнения, чтобы рассчитать радиус экзопланеты. Экзопланеты также вызывают небольшое движение своих звезд, поскольку они вращаются вокруг взаимного центра тяжести, что можно обнаружить по изменению длины волны света звезды. Величина движения, называемая радиальной скоростью, может быть использована для расчета массы экзопланеты.
Имея на руках эти данные, мы можем рассчитать плотность экзопланеты и таким образом определить, как она устроена. Низкая плотность, как у Юпитера, предполагает наличие огромной атмосферы с низкой плотностью – газовый гигант. Более высокая плотность, как у Земли, предполагает каменистый состав. Как правило, первые имеют больший радиус, а вторые – меньший.
По мнению Бая и его коллег, это может быть использовано для обнаружения потенциальных экзопланет из темной материи. Экзопланеты из темной материи могут иметь свойства, отличные от обычных экзопланет, что противоречит нашему нынешнему пониманию формирования планет. Например, можно получить экзопланету плотнее железа или настолько низкоплотную, что ее существование невозможно будет объяснить.
В настоящее время таких отклонений не обнаружено, но ученый имеет право помечтать.
Кроме того, астрономы смогли исследовать атмосферы экзопланет на основе данных о транзитах. Они измеряют спектр света от звезды во время транзитов и сравнивают его со светом звезды в обычное время, ища более тусклые и более яркие длины волн.
Это означает, что часть света была поглощена и/или отражена молекулами в атмосфере экзопланеты; ученые могут проанализировать эти данные, чтобы определить, что это за молекулы.
Если в спектре транзита обнаружатся серьезные аномалии, это может указывать на наличие экзопланеты из темной материи. Если радиальная скорость указывает на то, что экзопланета должна пройти транзитом, а транзита не наблюдается, это тоже может быть подсказкой, указывающей на экзопланеты из темной материи. Транзитный провал, известный как кривая блеска, также может указать на планету из темной материи, если его кривая вдруг будет крайне необычной.
“Из-за своей крошечной, но не исчезающей силы взаимодействия с частицами Стандартной модели экзопланета из темной материи может быть немного прозрачной, что делает форму кривой блеска отличной от кривой блеска обычной экзопланеты”, – пишут исследователи.
Бай и его коллеги рассчитали, как может выглядеть эта кривая блеска, заложив простую основу для более сложного теоретического анализа.
Есть несколько способов улучшить работу, отмечает команда. Например, они рассматривали только круговые орбиты. Однако, многие экзопланеты имеют эллиптические орбиты, особенно те, которые могли быть захвачены гравитацией звезды – именно таким образом планета из темной материи может появиться на орбите обычной барионной звезды. Кроме того, свойства планет были относительно простыми.
“Дальнейшее изучение раннего формирования экзопланет, звездных систем и захвата экзопланет из тёмной материи поможет прояснить возможность обнаружения “темных” планет”, – заключают исследователи. Статья доступна на сервере препринтов arXiv.
Читайте также: Реальна ли темная материя? Многолетняя загадка астрономии