Фізики запропонували використовувати екзопланети в якості детекторів темної матерії шляхом спостереження за їх температурою. Згідно з дослідженням вчених, процес анігіляції частинок темної матерії в центрах важких небесних тіл повинен нагрівати ці об'єкти. Для темних частинок з масою порядку мегаелектронвольту цей нагрів, на думку дослідників, може бути зареєстрований за допомогою космічних телескопів нового покоління. Автори роботи, опублікованої в журналі, передбачають, що такі спостереження дозволять посилити існуючі обмеження на взаємодію темної матерії з речовиною більш ніж на 6 порядків, а також розкажуть про щільність темної матерії в галактичному гало.
Темна матерія - це гіпотетична форма матерії, яка не бере участі в електромагнітній взаємодії, через що її не можна побачити безпосередньо. Проте вона має масу, а значить - може взаємодіяти зі звичайною матерією за допомогою гравітації, і, можливо, через інші екзотичні механізми. Припущення про існування такої форми матерії дозволяє фізикам пояснити дуже багато явищ, які інакше здаються парадоксальними. До таких явищ, наприклад, належать аномально високі швидкості обертання периферичних областей галактики, ефекти гравітаційного лінзування з невідомим джерелом прихованої маси і навіть дивацтва в неоднорідностях розподілу реліктового випромінювання.
Поки що фізикам не вдається безпосередньо побачити взаємодію частинок темної матерії зі звичайною речовиною в численних експериментах зі спробами її прямої реєстрації. Але саме такі експерименти необхідні для того, щоб зрозуміти природу темних частинок. Згідно з виявленими непрямими наслідками існування темної матерії, її загальна маса становить 85 відсотків від маси всієї матерії у всесвіті. При цьому суттєва її частка розташовується в так званих галактичних гало (причому чим ближче до центру галактики - тим її більше) і не дає галактикам розлітатися. Цим фактом вже намагалися скористатися в експериментах, в яких фізики намагалися зареєструвати темні частинки в процесі руху Землі крізь галактичне гало, але їх останні результати говорять про відсутність слідів реєстрації темної матерії.
Точками потенційного скупчення частинок матерії можуть бути і менш великомасштабні астрономічні об'єкти: темна матерія з галактичного гало може розсіюватися і притягуватися важкими планетами, нейтронними зірками або білими карликами. У разі планет, температура яких відносно мала і не дозволяє частинкам темної матерії придбати достатньо енергії для подолання їх гравітації, темні частинки будуть накопичуватися в їх центрах в дуже великих кількостях. Раніше пошук таких скупчень вже провели для Юпітера, спостерігаючи за його гамма-випромінюванням високих енергій, а тепер одна з авторів тієї роботи Ребекка Лін (Rebecca Leane) зі Стенфордського університету і Юрій Смирнов (Juri Smirnov) з Університету штату Огайо запропонували використовувати з цією ж метою екзопланети. Фізики показали, що в пошуку темної матерії можуть допомогти вимірювання температури екзопланет, до класу яких вони віднесли як просто планети за межами Сонячної системи, так і планети-сироти (без зоряної орбіти) і коричневі карлики, що знаходяться в єдиній системі із зіркою. Для цього вчені використовували той факт, що взаємодія продуктів анігіляція темної матері в центрах екзопланет має нагрівати саму екзопланету, причому чим ближче планета до центру галактики - тим більший цей ефект за рахунок збільшення щільності розподілу темної матерії.
Крім низької температури, дослідники вказали на ряд переваг екзопланет для таких пошуків темної матерії. Так, вже зараз розгорнута величезна кампанія з пошуку екзопланет, причому темпи їх відкриття тільки ростуть: велика їх частина була виявлена за останні 5 років, а всього на даний момент було відкрито 4324 екзопланет, і ще 5695 кандидатів знаходяться в процесі вивчення. Це означає, що у фізиків буде великий простір для реєстрації температури таких об'єктів, і він буде тільки рости, адже число екзопланет в нашій Галактиці має досягати 300 мільярдів. Крім того, екзопланети мають велику площу поверхні, а значить її температуру можна виміряти на більшій відстані в порівнянні з тими ж нейтронними зірками. Для перевірки можливостей таких вимірювань фізики використовували характеристики космічної обсерваторії «Джеймс Вебб», яка вже зовсім скоро дозволить спостерігати за екзопланетами в інфрачервоному діапазоні, а значить і судити про їх температуру.
Щоб зрозуміти, який внесок у температуру тієї чи іншої екзопланети може вносити темна матерія, фізики обчислювали можливу кількість захоплюваних екзопланетою темних частинок різної маси, користуючись трьома різними профілями розподілу щільності темної матерії в галактичному гало. За цією кількістю фізики могли судити про те, який потік тепла буде вироблятися в ході анігіляції темних частинок на фотони або інші частинки в центрі екзопланет, який, у свою чергу, залежав від перерізу взаємодії темної матерії зі звичайною матерією. Моделювання показало, що чутливість «Джеймса Вебба» дозволить спостерігати за змінами температур коричневих карликів малих і проміжних мас на відстані близько 0,1 кілопарсека від галактичного центру, де внесок темної матерії в нагрів планети повинен бути істотний. У цьому випадку вчені зможуть отримати обмеження на перетин розсіювання темних частинок на протоні до близько 10-37 квадратних сантиметрів для темних частинок з масою порядку десятків і сотень мегаелектронвольт, що на 6 порядків більше існуючих обмежень. Спостереження за газовими гігантами, згідно з висновками фізиків, також дозволять посилити існуючі обмеження, але лише на 3 порядку.
Детальніше про те, яку роль темна матерія відіграє в сучасній фізиці і чому вченим так важливо її зареєструвати, можна почитати в нашому матеріалі «Невидимий цемент Всесвіту».