Новое исследование показало, что определенные типы частиц темной материи теоретически могут нагреть центр Земли настолько, что ее твердое ядро расплавится, передает IFLScience. Этот сценарий, который ученые назвали "темным адом", не наблюдается в реальности, и именно это позволяет сузить круг возможных характеристик темной материи — невидимой субстанции, которая, по современным оценкам, составляет около 80% всей материи во Вселенной.
Авторы работы, опубликованной в журнале Physical Review D, Кристофер Каппиелло и Тансу Дейлан из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, рассмотрели, как частицы темной материи могут накапливаться в центре Земли. По их словам, там, где гравитационные силы сильны, в частности в ядре, частицы могут сталкиваться со своими античастицами. В результате происходит аннигиляция — процесс взаимного уничтожения, во время которого высвобождается энергия в форме тепла.
"Скорость аннигиляции масштабируется пропорционально квадрату плотности темной материи", — отмечают исследователи. Другими словами, чем больше концентрация частиц, тем активнее они взаимодействуют и тем больше энергии создают.
[see_also ids="651943"]
Если бы такого тепла образовывалось слишком много, внутреннее давление в центре планеты не смогло бы удержать твердую структуру ядра, и оно частично расплавилось бы. Именно этот возможный эффект ученые метафорически назвали "темным адом". На основе расчетов они определили максимальный размер потенциально жидкой зоны — радиус около 400 километров, и соответствующую предельную мощность тепловыделения на уровне примерно 20 тераватт.
Сейсмические данные показывают, что Земля имеет твердое внутреннее ядро диаметром около 2500 километров, и любой значительный жидкий участок внутри него нарушил бы прохождение сейсмических волн. Поскольку этого не наблюдается, исследователи делают вывод, что реальное тепловыделение от темной материи намного меньше, чем теоретически возможно. Таким образом, отсутствие "ада" указывает на пределы энергии, которую может высвобождать темная материя, — и это сужает параметры, в которых стоит ее искать.
Ученые также объясняют, что накопление темной материи в ядре не может происходить только благодаря гравитации. Частицы должны терять энергию во время столкновений с обычной материей, чтобы постепенно оседать в центре планеты. Степень концентрации зависит от массы частиц — легкие распределяются равномерно, тогда как более тяжелые сосредотачиваются ближе к ядру.
[see_also ids="650395"]
Каппиелло и Дейлан отмечают, что их работа не противоречит предыдущим исследованиям, но расширяет представление о возможных массах частиц темной материи. В то же время они признают, что результаты зависят от нескольких предположений. Если во Вселенной темной антиматерии значительно меньше, чем темной материи, скорость аннигиляции будет низкой.
А если энергия высвобождается преимущественно в виде нейтрино — элементарных частиц, почти не взаимодействующих с веществом, — нагрев будет минимальным и останется неуловимым.
Будущие миссии на Луну могут помочь раскрыть природу темной материи. Наблюдение слабых радиосигналов водорода из ранней Вселенной на частотах около 50 МГц позволит определить массу частиц темной материи и выяснить, является ли она "холодной" или "теплой". Обратная сторона Луны является оптимальным местом для этих наблюдений, поскольку там царит "радиотишина" — отсутствуют помехи от земных технологий и ионосферы, блокирующие эти сигналы на Земле.