Planety zbudowane z ciemnej materii - jak je odnaleźć?
Pomimo odkryć setek planet poza naszym Układem Słonecznym tak naprawdę nie znaleźliśmy do tej pory zbyt wielu układów planetarnych podobnych do naszego. Odkryte dotychczas planety mają jednak jedną wspólną cechę z naszymi najbliższymi sąsiadami - są zbudowane z materii.
Zespół naukowców pod kierownictwem fizyka teoretyka Yanga Baia z Uniwersytetu Wisconsin w Madison w USA postawił sobie pytanie - czy mogą istnieć planety zbudowane z tzw. ciemnej materii?
A jeśli tak, to jakie miałyby cechy i jak moglibyśmy wykryć ich istnienie?
Czym jest ciemna materia?
Jak na razie, nikt nie może odpowiedzieć na to pytanie jednoznacznie. Stan obecnej wiedzy zwyczajnie na to nie pozwala. Jedną z najważniejszych cech, jakie powinien posiadać dobry naukowiec, jest wyobraźnia, a największym motorem postępu jest ciekawość. A jedną z największych tajemnic współczesnej nauki, wzbudzającą największe zainteresowanie jest to, czym jest ciemna materia.
Jak wyjaśnia wspomniany Bai i jego współpracownicy:
Stan ciemnej materii o masie lub promieniu podobnym do masy planety zachowywałby się tak samo jak ciemna (nieodbijająca światła) egzoplaneta znajdująca się w układzie planetarnym, nawet jeśli cechy fizyczne tego obiektu wskazywałyby na coś zupełnie innego.
Nasze obecne metody wykrywania egzoplanet są obecnie w dużej mierze oparte na efekcie przyciemnienia, jaki planeta wywiera na światło swojej gwiazdy-gospodarza. Przejście egzoplanety pomiędzy nami a jej gwiazdą, określane jest jako tranzyt. Działa to na takiej samej zasadzie jak w przypadku gdy np. mucha przelatuje przed świecącą żarówką, na którą patrzymy i ogranicza w ten sposób przez chwilę ilość światła, jaka do nas dociera. Badając szczegółowo ilość światła docierającego do nas z odległej gwiazdy, jesteśmy w stanie wykryć nawet najmniejsze wahania w jego jasności. Astronomowie mogą zmierzyć głębokość tego przyciemnienia, aby obliczyć promień egzoplanety. Oprócz tego, dane z obserwacji pozwalają również na dokonanie pomiarów właściwości egzoplanety.
Egzoplanety powodują nie tylko zaburzenia w ilości światła, jakie do nas dociera z ich macierzystych gwiazd, ale powodują one również lekki ruch swoich gwiazd. Dzieje się tak, ponieważ oba ciała niebieskie poruszają się wokół wzajemnego środka ciężkości. Wielkość tego ruchu, zwana prędkością radialną, może być użyta do obliczenia masy egzoplanety.
Jak badane są egzoplanety?
Mając wszystkie te pomiary, naukowcy są w stanie obliczyć gęstość egzoplanety, a tym samym określić, z czego jest zbudowana. Niska gęstość, jak w przypadku Jowisza, sugeruje ogromną, niezbyt gęstą atmosferę, gazowego olbrzyma. Większa gęstość, jak w przypadku Ziemi, sugeruje skład skalny planety. Ogólnie rzecz biorąc, pierwsze z nich mają większe promienie, a drugie mniejsze.
Ponadto astronomowie są w stanie zbadać atmosferę egzoplanet na podstawie danych z tranzytów. Mierzą oni widmo światła gwiazdy podczas przejść planety przed tarczą jej gwiazdy i porównują je z normalnym światłem gwiazdy, szukając ciemniejszych i jaśniejszych długości fal.
Gdy ilość światła, które dociera do nas z gwiazdy spada, oznacza to, że jego część została pochłonięta lub odbita przez cząsteczki w atmosferze egzoplanety. Naukowcy mogą przeanalizować te dane, aby określić, jakie to cząsteczki. Jeśli widmo tranzytu ujawnia jakieś poważne anomalie, może to teoretycznie wskazywać na obecność egzoplanety zbudowanej ciemnej materii.
Inną anomalią może być przypadek, gdy prędkość radialna sugeruje, że egzoplaneta powinna tranzytować, a następnie nie obserwuje się tranzytu. Albo wtedy, gdy tzw. dip tranzytowy, czyli spadek ilości światła, jakie obserwujemy znany jako krzywa światła, wykazuje nieoczekiwany kształt.
Póki co, planety składające się z ciemnej materii pozostają w sferze domysłów
Jak na razie, nie udało się zidentyfikować żadnych takich nietypowych obiektów, ale nie sprawia to, że naukowcy przestają sobie wyobrażać, jak takie planety mogłyby wyglądać i jakie mogłyby mieć cechy. Jak mówi Bai:
Ze względu na niewielką, ale nie zanikającą siłę oddziaływania z cząstkami Modelu Standardowego, egzoplaneta z ciemną materią może nie być całkowicie nieprzezroczysta, co sprawia, że kształt krzywej świetlnej można odróżnić od zwykłej egzoplanety.
Bai i jego zespół obliczył, jak może wyglądać taka krzywa światła, co jest wstępem do sformułowania bardziej złożonej analizy teoretycznej. Istnieje kilka sposobów, w jakie można by rozszerzyć zakres badań. Na przykład, zwykle pod uwagę brane są jedynie orbity kołowe. Wiele egzoplanet ma jednak orbity eliptyczne, zwłaszcza te, które mogły zostać przechwycone przez grawitację gwiazdy, jak można by się spodziewać w przypadku egzoplanet z ciemną materią w składzie.
Według Bai i jego zespołu można wykorzystać już zgromadzoną wiedzę do wykrycia potencjalnych egzoplanet z ciemną materią w składzie. Egzoplaneta zbudowana z ciemnej materii może mieć inne właściwości niż te, jakie zwykle mają zwykłe planety spoza Układu Słonecznego. Mogą one być na tyle różne, że w zasadzie będą przeczyć naszemu obecnemu rozumieniu formowania się planet. Może to być na przykład egzoplaneta o gęstości większej od żelaza, lub o gęstości tak niskiej, że jej istnienie będzie niemożliwe do wyjaśnienia według obecnego stanu wiedzy.
Póki co, wszystko zależy od możliwości naszych teleskopów, postępu w poszerzaniu naszej wiedzy i wyobraźni naukowców. Tej ostatniej na pewno nie można odmówić astronomom takim jak Yang Bai i jego zespół.
