science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Jupiter zou een ideale detector voor donkere materie kunnen zijn

Krediet:NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

Dus je wilt donkere materie vinden, maar je weet niet waar je moet zoeken. Een gigantische planeet is misschien precies het soort deeltjesdetector dat je nodig hebt! Gelukkig, ons zonnestelsel heeft er toevallig een paar beschikbaar, en de grootste en dichtstbijzijnde is Jupiter. Onderzoekers Rebecca Leane (Stanford) en Tim Linden (Stockholm) publiceerden deze week een paper waarin ze beschrijven hoe de gasreus de sleutel zou kunnen zijn tot het vinden van de ongrijpbare donkere materie.

De aard van donkere materie is momenteel een van de grootste lopende mysteries in de natuurkunde. Het werkt op zwaartekracht samen - we kunnen zien dat het sterrenstelsels bij elkaar houdt die anders uit elkaar zouden vliegen - maar het lijkt op andere manieren geen interactie te hebben met normale materie.

De meest populaire theorieën stellen dat donkere materie een soort deeltje is dat te klein is of te zwak interageert om gemakkelijk te kunnen worden waargenomen. Er zijn deeltjesversnellers en collider-experimenten opgezet om subatomaire deeltjes samen te breken; onderzoekers hopen onverwachte hoeveelheden energie te zien ontbreken bij de resulterende botsing, wat een onbekend deeltje zou suggereren, mogelijk donkere materie, ontsnapt aan de detector. Tot dusver, geen succes.

Maar donkere materie zou ook in de natuur moeten zijn, en zou door de zwaartekracht kunnen worden opgevangen door objecten met grote zwaartekrachtbronnen, zoals de aarde, de zon en Jupiter. Overuren, donkere materie kan zich ophopen in een planeet of ster totdat er voldoende dichtheid is dat het ene donkere materiedeeltje een ander deeltje kan raken, beide vernietigen. Zelfs als we donkere materie zelf niet kunnen zien, we zouden de resultaten van zo'n botsing moeten kunnen zien. Het zou energierijke straling produceren in de vorm van gammastraling.

De Fermi Gamma-ray Ruimtetelescoop. Krediet:NASA

Betreed NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope, gelanceerd in 2008 op een Delta II-raket. Het onderzoekt al meer dan tien jaar de hemel op bronnen van gammastraling. Onderzoekers Leane en Linden gebruikten de telescoop om naar Jupiter te kijken, en produceerde de allereerste analyse van de gammastraalactiviteit van de reuzenplaneet. Ze hoopten bewijs te zien van overtollige gammastraling gecreëerd door de vernietiging van donkere materie in Jupiter.

Zoals Leane uitlegt, De grootte en temperatuur van Jupiter maken het een ideale detector voor donkere materie. "Omdat Jupiter een groot oppervlak heeft in vergelijking met andere planeten in het zonnestelsel, het kan meer donkere materie vastleggen... Je zou je dan kunnen afvragen waarom niet gewoon de nog grotere (en heel dichtbij gelegen) zon gebruiken. We zullen, het tweede voordeel is dat omdat Jupiter een koelere kern heeft dan de zon, het geeft de donkere materiedeeltjes minder een thermische kick. Dit kan gedeeltelijk voorkomen dat lichtere donkere materie uit Jupiter verdampt, die uit de zon zou zijn verdampt."

Leane en Linden's eerste studie van Jupiter heeft nog geen donkere materie gevonden. Echter, er was één prikkelende overmaat aan gammastraling bij lage energieniveaus, waarvoor betere hulpmiddelen nodig zijn om goed te kunnen studeren. "We verleggen Fermi's limieten echt om zulke laag-energetische gamma's te analyseren, "zei Leane. "Vooruitkijkend, het zal interessant zijn om te zien of toekomstige MeV-gammastralingstelescopen zoals AMEGO en e-ASTROGAM Joviaanse gammastraling vinden, vooral aan de onderkant van onze analyse, waar de prestaties van Fermi eronder lijden. Misschien heeft Jupiter nog wat geheimen te delen."

Zowel de AMEGO- als de e-ASTOGRAM-telescopen bevinden zich nog in de conceptfase, maar ze zijn misschien gewoon de hulpmiddelen die nodig zijn om donkere materie te vinden, en Jupiter is misschien wel het doelobject om het te vinden.

Linksboven toont de gammastraling in een gebied van 45 graden rond Jupiter. Rechtsboven zie je hetzelfde deel van de hemel als Jupiter er niet is (de achtergrond). Linksonder ziet u de gammastraling die overblijft wanneer de achtergrond wordt afgetrokken. Rechtsonder toont de grootte en positie van Jupiter van de Fermi Telescope. Als er een overmaat aan gammastraling was, de kaart linksonder had moeten oplichten op de positie van Jupiter. Op deze energieniveaus het deed het niet, hoewel het deed bij lagere energieniveaus, aanleiding geven tot de noodzaak van verdere observatie met nieuwe telescopen. Krediet:Rebecca Leane en Tim Linden

Leane en een andere collega, Juri Smirnov (staat Ohio), denk dat een vergelijkbare techniek ook kan worden gebruikt om naar donkere materie te zoeken in Jupiter-achtige exoplaneten of koele bruine dwergsterren.

Exoplaneten en bruine dwergen dichter bij het centrum van de melkweg, waar er hogere dichtheden van donkere materie zijn, in infrarood heter moeten lijken dan planeten en sterren verder weg, als gevolg van frequentere vernietiging van donkere materie in hun kernen. De James Webb-ruimtetelescoop kan mogelijk een infraroodonderzoek van voldoende planeten bieden om deze theorie te bevestigen.

Of we bewijs vinden van donkere materie op een exoplaneet, of in onze eigen gasreus dicht bij huis, zo'n ontdekking zou een grote sprong voorwaarts betekenen in ons model van het universum. Er is geen garantie voor een van beide, maar het is zeker het bekijken waard, en de basis voor de zoektocht wordt nu gelegd.