Двое американских астрофизиков из Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми рассчитали, что тёмная материя может служить источником энергии для крупных планет и сделать их потенциально обитаемыми.

Нагревать планету в предложенной учёными модели должна аннигиляция частиц тёмной материи — вимпов. В теоретической возможности этого сомневаться не приходится: по современным оценкам, энергетический «запас» тёмной материи Вселенной на несколько порядков превосходит ту энергию, которая могла бы выделиться при термоядерном превращении всего существующего водорода в гелий. Основная проблема заключается в том, что вимпы, в отличие от привычной барионной материи, в общем случае не взаимодействуют с интенсивностью, достаточной для извлечения значительных объёмов энергии.

Однако планеты и звёзды своей массой создают условия для эффективной аннигиляции. Движущиеся вимпы могут претерпевать упругое рассеяние (процесс столкновения частиц, в котором их внутреннее состояние остаётся неизменным, а меняются лишь импульсы) на ядрах, содержащихся в массивных телах. В некоторых случаях — при потере вимпом достаточно большой части импульса — это приводит к гравитационному захвату тёмной материи. Перемещаясь в объёме захватившего их тела, вимпы снова взаимодействуют с ядрами и постепенно собираются в недрах светила или планеты. С ростом их количества начинается интенсивная аннигиляция, и масса тёмной материи конвертируется в кинетическую энергию — релятивистские частицы, которые поглощаются окружающим веществом.

Следовательно, для оценки перспектив нагрева планеты необходимо знать, с какой частотой она будет захватывать вимпы. Легко показать, что эта величина зависит и от характеристик самой планеты и её окружения, и от свойств вимпов.

В новой работе рассматривались «каменистые» планеты с железным ядром, напоминающие Землю по составу вещества и превосходящие её по массе в 1–10 раз. Средняя плотность тёмной материи в нашем участке Галактики — 0,4 ГэВ/см³, или 7•10^–25 г/см³, — была взята из опубликованной совсем недавно, в августе прошлого года, статьи итальянских физиков. Параметры вимпов, сказать о которых что-то определённое учёные пока не могут, оценивались по двум совершенно разным схемам: в первой (модели А) масса частиц зафиксирована на уровне 300 ГэВ, а в модели Б вимпы «весили» всего 7 ГэВ и имели другое сечение упругого рассеяния. Последняя модель, заметим, соответствует данным коллабораций DAMA/LIBRA и CoGeNT, о результатах экспериментов которых мы сообщали в 2010-м.

При таких исходных параметрах Земля захватывала бы вимпы со скоростью 3•10¹² (5•10¹⁵) частиц/с в моделях А и Б соответственно. Значения представляются внушительными, но в энергетическом смысле они невелики: даже если предположить, что вимпы аннигилируют с интенсивностью захватывания, они будут «закачивать» в поверхностную область планеты только 1,4•10⁵ (5,6•10⁶) Вт. С вкладом Солнца, которое обеспечивает 1,2•10¹⁷ Вт, это не сравнить, и без участия звезды Земля не смогла бы поддерживать воду в жидком состоянии на поверхности.

Более крупные планеты находятся в выигрышном положении. Если массу Земли увеличить в 10 раз, интенсивность захвата возрастёт более чем стократно. Конечно, при этом увеличится и площадь поверхности, но значение мощности в пересчёте на один квадратный метр заметно повысится. Впрочем, конкурировать с Солнцем вимпы всё равно не смогут.

Интенсивность захвата частиц тёмной материи землеподобной планетой, выраженная в единицах мощности. Предполагается, что планета находится в нашей области Галактики. (Иллюстрация авторов работы.)

Совсем другие результаты можно получить при рассмотрении планет, находящихся в областях с большей плотностью медленно движущейся тёмной материи, которая захватывается планетой даже при небольшой потере импульса. Типичным примером здесь служат центральные области карликовых сфероидальных галактик, имеющие плотность тёмной материи в 40–150 ГэВ/см³. В ядре Млечного Пути или Большого Магелланова облака плотность может подниматься ещё выше, и такие условия, по расчётам американцев, допускают существование жидкой воды на поверхности планеты, несколько превосходящей Землю по массе, при отсутствии звёздного света и других источников энергии.

«Сама идея мне нравится, — признаётся не принимавший участия в исследовании сотрудник Университета штата Пенсильвания Джеймс Кастинг (James Kasting). — К сожалению, проверить эти выкладки мы в обозримом будущем не сможем». Дело в том, что области высокой плотности тёмной материи в центре Галактики находятся очень далеко от Земли, и никаких способов изучения расположенных там планет не существует.

Препринт статьи астрофизиков выложен на сайт arXiv.

Подготовлено по материалам NewScientist.

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.