Podaci koje su Voyager 1, Voyager 2 i New Horizons prikupili tijekom preleta divovskih planeta poslužili su za potragu kakva nije bila planirana pri njihovu lansiranju. Fizičari su u ultraljubičastom zračenju noćnih atmosfera Jupitera, Saturna, Urana i Neptuna tražili mogući trag tamne tvari.
Dodatni signal nisu pronašli. Iz njegove odsutnosti ipak su uspjeli odrediti koliko bi snažno pojedine vrste čestica tamne tvari mogle djelovati na običnu tvar, a da pritom ne proizvedu više ultraljubičastog zračenja nego što su ga letjelice izmjerile.
Analiza objavljena u časopisu Physical Review Letters pokazuje da atmosfere velikih planeta mogu poslužiti kao prirodni detektori tamne tvari. Rezultat nije dokaz protiv njezina postojanja, nego novo ograničenje za određene modele njezinih čestica i njihova djelovanja na protone i neutrone.
Kako bi planet mogao zarobiti tamnu tvar
Tamnu tvar ne opažamo izravno, nego njezinu prisutnost zaključujemo iz gravitacijskog djelovanja na zvijezde, galaksije i velike strukture u svemiru. Još nije poznato od kojih se čestica sastoji ni može li, osim gravitacijom, na neki drugi način djelovati na običnu tvar.
Jedna mogućnost jest da se njezine čestice vrlo rijetko sudaraju s jezgrama atoma. Dok planet prolazi kroz tamnu tvar koja ispunjava Mliječnu stazu, pojedine bi čestice u takvim sudarima mogle izgubiti dio energije i ostati zarobljene njegovom gravitacijom.
Divovski planeti posebno su zanimljivi zbog velike mase i polumjera. Tijekom milijardi godina mogli su prikupiti znatan broj takvih čestica.
Ako se zarobljene čestice tamne tvari pri međusobnom susretu pretvaraju u druge čestice i energiju, dio te energije mogao bi stići do gornje atmosfere. Ondje bi pobudio molekule vodika, koje bi zatim emitirale slabo ultraljubičasto zračenje.
To je signal koji su autori tražili u arhivskim mjerenjima.
Moguća svojstva tamne tvari istražuju se i na mnogo većim razmjerima. Pojedini modeli predviđaju dodatne sile među njezinim česticama koje bi mogle utjecati na rast najvećih struktura u svemiru.
Zašto su važna mjerenja noćne strane
Atmosfere divovskih planeta prirodno proizvode ultraljubičasto zračenje. Sunčeva svjetlost pobuđuje plin, a nabijene čestice iz magnetosfere stvaraju snažne aurore, osobito u blizini magnetskih polova.
Zbog toga nije dovoljno izmjeriti ultraljubičasti sjaj i pripisati ga tamnoj tvari. Najprije treba ukloniti ili svesti na najmanju moguću mjeru poznate izvore zračenja.
Istraživači su se usredotočili na noćne dijelove planeta, izvan polarnih područja te podalje od zore i sumraka. Ondje je utjecaj Sunčeve svjetlosti slabiji, a manja je i vjerojatnost da će se u podatke umiješati snažno auroralno zračenje.
Takav je odabir posebno važan kod Jupitera. Njegove aurore nastaju pod utjecajem golema magnetskog polja, Sunčeva vjetra i čestica povezanih s njegovim mjesecima. Neki njihovi dijelovi čak su magnetski povezani s prirodnim satelitima planeta.
Mogući signal tamne tvari ne bi bio ograničen na polove. Trebao bi biti raspoređen mnogo ravnomjernije po atmosferi, što ga barem u načelu razlikuje od aurora.
Četiri planeta ne daju isti odgovor
Za Jupiter su korištena mjerenja spektrografa Alice na letjelici New Horizons, prikupljena tijekom preleta 2007. godine. Podaci za Saturn potječu s Voyagera 1, dok je Voyager 2 izmjerio ultraljubičasto zračenje Urana i Neptuna tijekom susreta 1986. i 1989. godine.
Razlike među planetima važan su dio analize. Jupiter i Saturn pretežno su građeni od vodika i helija, dok Uran i Neptun imaju drukčiju unutarnju građu i veći udio težih elemenata. Razlikuju se i po masi, gustoći, temperaturi i brzini potrebnoj da bi čestica pobjegla njihovoj gravitaciji.
Zbog toga svaki planet drukčije prikuplja i zadržava tamnu tvar. Model koji daje slab signal na Jupiteru može proizvesti izraženiji učinak na Uranu ili Neptunu, i obratno.
Mjerenja se razlikuju i po kvaliteti. New Horizons prikupio je razmjerno detaljne podatke o Jupiteru, dok su opažanja Urana i Neptuna mnogo ograničenija. Voyager 2 ostaje jedina letjelica koja je izbliza posjetila oba planeta.
Unatoč tome, i takva stara mjerenja mogu postaviti korisne granice. Njihova vrijednost posebno dolazi do izražaja jer unutarnja građa Urana i Neptuna još nije pouzdano određena.
Što znači izostanak dodatnog signala
Autori nisu otkrili ultraljubičasto zračenje koje bi zahtijevalo objašnjenje tamnom tvari. Umjesto toga izračunali su koliki bi njezin doprinos najviše mogao biti, a da još ostane unutar sjaja koji su letjelice izmjerile.
Time su dobili gornju granicu za jačinu mogućeg djelovanja čestica tamne tvari na običnu tvar. U najosjetljivijem dijelu analiziranog raspona, za čestice mase oko 1 GeV, ta granica iznosi približno 10⁻⁴⁰ četvornih centimetara.
Riječ je o veličini kojom fizičari opisuju vjerojatnost međudjelovanja dviju čestica, a ne o stvarnoj površini koju bi bilo moguće izmjeriti u uobičajenom smislu.
Ta brojka ne vrijedi za svaku moguću vrstu tamne tvari. Dobivena je uz pretpostavku da se njezine čestice mogu nakupiti u planetu, da se pri susretu pretvaraju u druge čestice te da gotovo sva oslobođena energija dospijeva u atmosferu.
Ako samo manji dio energije stigne do gornjih slojeva plina, ograničenje postaje slabije. Rezultat se također ne odnosi na modele u kojima se čestice tamne tvari ne mogu međusobno poništiti ili njihovi proizvodi napuštaju planet bez mjerljivog utjecaja na atmosferu.
Jupiterova atmosfera već je poslužila za sličnu potragu
Ovo nije prvi pokušaj da se atmosfera divovskog planeta pretvori u detektor tamne tvari. Ranija analiza podataka letjelice Cassini tražila je mogući infracrveni signal iona H₃⁺ na noćnoj strani Jupitera.
Taj bi ion mogao nastati ako energija oslobođena djelovanjem tamne tvari ionizira molekularni vodik. O toj smo metodi pisali u tekstu Svjetlost u Jupiterovoj noći mogla bi otkriti tajnu tamne tvari.
Nova analiza koristi ultraljubičasto zračenje molekularnog vodika. Ono manje ovisi o temperaturi atmosfere i može se proučavati na sva četiri divovska planeta, a ne samo na Jupiteru.
Prema izračunima autora, nova ograničenja u dijelu analiziranog raspona nadmašuju rezultate dobivene prethodnom infracrvenom metodom.
Nova misija prema Uranu donijela bi mnogo preciznije podatke
Daljnji napredak ovisit će o osjetljivijim mjerenjima noćnih atmosfera. Letjelica JUICE, koja putuje prema Jupiteru, nosi ultraljubičasti spektrograf i mogla bi prikupiti dulja opažanja njegova slabog noćnog sjaja.
Za Uran i Neptun nedostatak novih podataka ostaje mnogo veći problem. Gotovo četiri desetljeća nakon preleta Voyagera 2 još nije odobrena misija koja bi ušla u orbitu oko jednog od tih planeta i sustavno proučavala njegovu atmosferu.
Jedan od prijedloga predviđa orbiter i atmosfersku sondu za Uran. Takva bi misija mogla istražiti sastav i građu planeta, ali i pružiti mnogo osjetljivija ultraljubičasta mjerenja. O prijedlogu smo pisali u tekstu Gotovo 40 godina nakon Voyagera predlaže se nova misija na Uran.
Autori navode da bi još bolji prirodni detektor mogao biti obližnji planet nekoliko puta masivniji od Jupitera, osobito ako kruži daleko od svoje zvijezde ili slobodno putuje svemirom. Veća masa omogućila bi mu da zarobi više tamne tvari, dok bi udaljenost od zvijezde smanjila pozadinsko ultraljubičasto zračenje.
Sadašnji rezultat pokazuje da se potraga za česticama tamne tvari ne mora ograničiti na podzemne detektore i velike akceleratore. Mjerenja prikupljena tijekom davnih preleta četiriju planeta već mogu isključiti dio mogućih objašnjenja, a buduće misije mogle bi tu potragu učiniti znatno osjetljivijom.