Темна матерія може бути джерелом енергії для планет

Двоє американських астрофізиків із Національної прискорювальної лабораторії імені Фермі розрахували, що темна матерія може бути джерелом енергії для великих планет і зробити їх потенційно придатними для життя.

Нагрівати планету в запропонованій ученими моделі має анігіляція частинок темної матерії — вімпів. У теоретичній можливості цього сумніватися не доводиться: за сучасними оцінками, енергетичний «запас» темної матерії Всесвіту на кілька порядків перевищує ту енергію, яка могла б виділитися під час термоядерного перетворення всього наявного водню на гелій. Основна проблема полягає в тому, що вімпи, на відміну від звичної баріонної матерії, у загальному випадку не взаємодіють з інтенсивністю, достатньою для отримання значних обсягів енергії.

Однак планети й зорі своєю масою створюють умови для ефективної анігіляції. Рухомі вімпи можуть зазнавати пружного розсіяння (процесу зіткнення частинок, у якому їхній внутрішній стан залишається незмінним, а змінюються лише імпульси) на ядрах, що містяться в масивних тілах. У деяких випадках — коли вімп втрачає достатньо велику частину імпульсу — це призводить до гравітаційного захоплення темної матерії. Переміщуючись в об’ємі тіла, що їх захопило, вімпи знову взаємодіють із ядрами й поступово збираються в надрах світила чи планети. Зі зростанням їхньої кількості починається інтенсивна анігіляція, і маса темної матерії перетворюється на кінетичну енергію — релятивістські частинки, які поглинаються навколишньою речовиною.

Отже, для оцінки перспектив нагрівання планети необхідно знати, з якою частотою вона захоплюватиме вімпи. Легко показати, що ця величина залежить і від характеристик самої планети та її оточення, і від властивостей вімпів.

У новій роботі розглядалися «кам’янисті» планети із залізним ядром, що нагадують Землю за складом речовини й перевищують її за масою в 1–10 разів. Середню густину темної матерії в нашій ділянці Галактики — 0,4 ГеВ/см³, або 7•10^–25 г/см³, — узяли з опублікованої зовсім недавно, у серпні минулого року, статті італійських фізиків. Параметри вімпів, про які вчені поки що не можуть сказати нічого певного, оцінювали за двома зовсім різними схемами: у першій (моделі А) масу частинок зафіксовано на рівні 300 ГеВ, а в моделі Б вімпи «важили» лише 7 ГеВ і мали інший переріз пружного розсіяння. Остання модель, зауважимо, відповідає даним колаборацій DAMA/LIBRA та CoGeNT, про результати експериментів яких ми повідомляли 2010 року.

За таких початкових параметрів Земля захоплювала б вімпи зі швидкістю 3•10¹² (5•10¹⁵) частинок/с у моделях А та Б відповідно. Значення здаються разючими, але в енергетичному сенсі вони невеликі: навіть якщо припустити, що вімпи анігілюють з інтенсивністю захоплення, вони «закачуватимуть» у поверхневу область планети лише 1,4•10⁵ (5,6•10⁶) Вт. Із внеском Сонця, яке забезпечує 1,2•10¹⁷ Вт, це не порівняти, і без участі зорі Земля не змогла б підтримувати воду в рідкому стані на поверхні.

Більші планети перебувають у вигіднішому становищі. Якщо масу Землі збільшити в 10 разів, інтенсивність захоплення зросте більш ніж стократно. Звісно, при цьому збільшиться й площа поверхні, але значення потужності в перерахунку на один квадратний метр помітно підвищиться. Утім, конкурувати із Сонцем вімпи все одно не зможуть.

Інтенсивність захоплення частинок темної матерії землеподібною планетою, виражена в одиницях потужності. Припускається, що планета перебуває в нашій області Галактики. (Ілюстрація авторів роботи.)

Зовсім інші результати можна отримати, розглядаючи планети, розташовані в областях із більшою густиною повільно рухомої темної матерії, яку планета захоплює навіть за невеликої втрати імпульсу. Типовим прикладом тут є центральні області карликових сфероїдальних галактик, де густина темної матерії становить 40–150 ГеВ/см³. У ядрі Чумацького Шляху або Великої Магелланової Хмари густина може бути ще вищою, і такі умови, за розрахунками американців, допускають існування рідкої води на поверхні планети, що дещо перевищує Землю за масою, за відсутності зоряного світла та інших джерел енергії.

«Сама ідея мені подобається, — визнає співробітник Університету штату Пенсильванія Джеймс Кастінґ (James Kasting), який не брав участі в дослідженні. — На жаль, перевірити ці викладки ми в осяжному майбутньому не зможемо». Річ у тім, що області високої густини темної матерії в центрі Галактики розташовані дуже далеко від Землі, і жодних способів вивчення планет, які там перебувають, не існує.

Препринт статті астрофізиків викладено на сайті arXiv.

Підготовлено за матеріалами NewScientist.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.