Фізики вперше проаналізували гамма-випромінювання Юпітера в пошуках слідів анігіляції темної матерії. На думку вчених, газові гіганти в ході руху крізь галактичне гало можуть захоплювати і накопичувати частинки темної матерії за рахунок своєї великої маси і малої температури. Під час аналізу дослідники вивчали дані, накопичені за 12 років роботи космічного гамма-телескопа «Фермі», але не знайшли в них переконливих доказів надлишку гамма-квантів, джерелом яких могла б бути темна матерія. Однак, на нижній межі діапазону чутливості телескопа фізики змогли зареєструвати пік інтенсивності гамма-випромінювання Юпітера, який вимагає додаткового аналізу за допомогою телескопів нового покоління. Препринт статті доступний на сайті arxiv.org.
Фізики вже дуже давно зайняті пошуком надлишкової матерії невідомого походження, про яку ми побічно знаємо по цілому ряду спостережуваних явищ. Так, існування такої форми матерії, яка безпосередньо не бере участі в електромагнітній взаємодії, але при цьому становить 85 відсотків маси матерії у Всесвіті, дозволило б пояснити аномально високу швидкість обертання зовнішніх областей галактик, ефекти гравітаційного лінзування і навіть особливості в неоднорідностях реліктового випромінювання. Саме ця гіпотетична форма матерії і отримала назву темною, але виявити її безпосередньо поки не вдалося, незважаючи на велику кількість експериментів з її реєстрації.
Виявити темну матерію намагаються на різних масштабах об'єктів з великою різноманітністю механізмів її взаємодії зі звичайною матерією. Так, сліди темних бозонів проміжної маси шукають в енергетичних спектрах атомів, існування найлегших частинок темної матерії обмежують в експериментах з атомним годинником, а надважкі темні частинки пропонують детектувати за допомогою великої кількості справжніх маятників. Однак ці експерименти припускають, що темна матерія дасть про себе знати, взаємодіючи з детектором на Землі. Але є й інший підхід: виявити і вивчити темну матерію можна, спостерігаючи за її природними скупченнями поруч з масивними об'єктами, до яких вона б притягувалася за рахунок гравітаційної взаємодії. У тому числі і для цього фізики реєструють астрофізичні нейтрино, які можуть народитися в компактних галактиках-супутниках в ході анігіляції темної матерії.
Схожий підхід до пошуку темної матерії вибрали Ребекка Лін (Rebecca Leane) зі Стенфордського університету і Тім Лінден (Tim Linden) зі Стокгольмського університету. Фізики припустили, що об'єктом, що притягує і накопичує у великих обсягах темну матерію, може бути Юпітер, і що його можна використовувати для прямого пошуку слідів існування цієї форми речовини. На користь такого вибору говорять три фактори: Юпітер одночасно важкий, холодний і розташований близько до Землі. Велика маса дозволяє сильніше притягувати темну матерію, відносно мала температура (наприклад, у порівнянні з Сонцем) означає, що частинками темної матерії не буде передаватися багато кінетичної енергії, а значить великі її обсяги будуть утримувати навколо Юпітера. Нарешті, близькість до Землі дозволяє реєструвати більший потік гамма-квантів, які, за усталеною думкою фізиків, можуть з'являтися в ході розпаду народжених при анігіляції темної матерії довгоживучих частинок. Саме проміжні частинки роблять можливим такий підхід до реєстрації темної матерії: остання повинна накопичуватися в центрі Юпітера, а ці частинки здатні покинути його щільні шари і розпастися вже за його межами, в той час як самі гамма-кванти не змогли б вибратися з центру планети.
Під час аналізу вчені вивчали дані, накопичені космічним гамма-телескопом «Фермі» за 12 років спостережень. Для визначення вкладу Юпітера в зареєстроване телескопом гамма-випромінювання фізики спостерігали за ділянкою неба в околиці 45 градусів від самої планети, а в якості фону брали усереднені дані за той час, коли газовий гігант знаходився за межами цієї області небосводу. За різницею фону і спостережень дослідники судили про те, скільки гамма-квантів певної енергії прилітало в телескоп безпосередньо від Юпітера. У результаті для більшої частини енергетичного діапазону вченим не вдалося виявити істотного внеску Юпітера в спектр реєстрованого гамма-випромінювання.
Винятком виявилися дані, отримані для гамма-квантів з енергією між 10 і 15 мегаелектронвольт - нижньою межею можливостей детектора на телескопі «Фермі». У цьому діапазоні енергій внесок Юпітера виявився істотним, особливо для енергій менше 11.2 мегаелектронвольт: для цього діапазону можна зі статистичною точністю в 4,6ºсказати, що газовий гігант випромінював надлишкові гамма-кванти. Тим не менш, автори відносяться до отриманих даних з настороженістю, адже спостереження на самому краю допустимих енергій телескопа «Фермі» володіють дуже великою похибкою. Вчені вважають, що отримані дані необхідно перевірити при запуску обсерваторій AMEGO і e-ASTROGAM, які будуть ідеально підходити для реєстрації гамма-квантів з енергією в кілька мегаелектронвольт. Проте вже зараз на підставі отриманих даних фізикам вдалося накласти обмеження на взаємодію темної матерії зі звичайною речовиною, які на порядки перевершують раніше отримані пороги.
Не дивно, що дослідники хочуть переконатися в достовірності отриманих даних: нещодавно ми розповідали про те, як експеримент ANAIS не відтворив результати іншого експерименту з пошуку темної матерії DAMA/LIBRA, який ось уже майже 20 років повідомляє про сліди реєстрації темних частинок. А детальніше про те, чому для фізиків так важлива темна матерія, можна почитати в нашому матеріалі «Невидимий цемент Всесвіту».