Dev gezegenler karanlık madde dedektörleri görevi görebilir

ABD’deki araştırmacılar, dev gezegenlerin atmosferlerindeki ultraviyole ışımanın kısmen karanlık madde ile sıradan madde arasındaki dolaylı etkileşim yoluyla ortaya çıkabileceği fikri üzerine bugüne kadarki en sıkı testleri gerçekleştirdiler. Princeton Üniversitesi’nden Carlos Blanco liderliğindeki ekibin sonuçları, bu etkileşimin gücü konusunda şimdiye kadarki en sıkı kısıtlamalardan bazılarını ortaya koyuyor.

Yayınlandığı yer Fiziksel İnceleme MektuplarıÇalışma aynı zamanda güneş sistemimizdeki dev gezegenlerin doğal karanlık madde dedektörleri olarak kullanılabileceği ihtimalini de güçlendiriyor.

Ultraviyole hava parıltısı

Dünya’nın atmosferinden bakıldığında gece gökyüzü asla tam anlamıyla karanlık olmaz. Atmosferdeki moleküller gündüz güneş ışınımıyla iyonize olduktan sonra gece boyunca devam eden bir süreçle yeniden birleşip foton yayabilirler.

“Gökyüzü aydınlığı” olarak adlandırılan bu fenomen, ilk olarak 2000 yıldan daha uzun bir süre önce tanımlandı. Ancak 2024 yılında, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndan Blanco ve meslektaşı Rebecca Leane, varsayımsal karanlık madde parçacıkları dev gezegenlerde yok olduğunda farklı bir atmosferik parıltının ortaya çıkabileceğini öne sürdü.

Güneş sistemi galaksinin yörüngesinde dönerken ikili, Jüpiter gibi dev gezegenlerin önemli sayıda karanlık madde parçacığını yakalayabileceğini öne sürdü. Bu parçacıklar yok oldukça, açığa çıkan enerji yakındaki hidrojen moleküllerini iyonlaştırabilir. Ortaya çıkan iyonlar hızlı bir şekilde reaksiyona girerek triatomik hidrojeni (H₃⁺) oluşturur ve bu hidrojen, düşük enerji durumlarına geçerken kızılötesi radyasyon yayar.

Blanco ve Leane, bu kızılötesi emisyona ilişkin tahminleri Jüpiter’in üst atmosferine ilişkin gözlemlerle karşılaştırarak, karanlık madde etkileşimlerinin tespit edilebilir bir atmosferik imza oluşturup oluşturamayacağına dair ilk güvenilir kısıtlamalardan bazılarını ortaya koydu. Bununla birlikte, bu kızılötesi sinyal H₃⁺’ye dayanıyor ve bu da onu bireysel gezegen atmosferlerine çok daha spesifik hale getiriyor.

Blanco, “Bir sonraki doğal soru, her dev gezegende aynı anda çalışan bir imzanın olup olmadığıydı” diyor. “İnsanların Aristoteles’ten bu yana merak ettiği bir olgu olan ultraviyole gök aydınlığının yanıt olduğu ortaya çıktı.”

Gezegen uçuşlarını yeniden ziyaret etmek

Blanco, Leane ve meslektaşları son çalışmalarında karanlık madde yok oluşlarının bir başka olası sonucunu araştırdılar. H₃⁺’den gelen kızılötesi emisyonu aramak yerine, iyonizasyon işlemi sırasında üretilen enerjik elektronların moleküler hidrojeni doğrudan uyararak onun ultraviyole ışık yaymasına neden olup olamayacağını incelediler.

Blanco, “İyonlaştırıcı fotonların yanı sıra, iyonlaştırıcı elektronlar da moleküler hidrojenin ultraviyole ışında parlamasına neden olabilir; bu, her dev gezegende aynı anda arayabileceğimiz bir imzadır” diye açıklıyor.

Karanlık maddenin neden olduğu herhangi bir parıltı muhtemelen güneş ışığı tarafından bastırılacağından ekip, gezegenlerin gece kenarlarının gözlemlerine odaklandı. Teorinin öngördüğü zayıf ışık seviyelerinde, uygun ölçümler yalnızca uzay araçlarının yakın uçuşlarından elde edilebilir. Bunlar bugüne kadar Voyager 1, Voyager 2 ve New Horizons tarafından Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün ile karşılaşmalar sırasında sağlandı.

Dev gezegen atmosferleri zaten doğal süreçler yoluyla hafif morötesi gece parıltısı ürettiğinden, araştırmacılar karanlık maddeye atfedilebilecek ek emisyonları araştırdılar. Tahmin edilen karanlık madde sinyalinin, uzay aracı tarafından fiilen gözlemlenen morötesi ışımadan daha parlak kalmamasını şart koşarak, teoriye yeni kısıtlamalar getirdiler; karanlık madde ile sıradan madde arasındaki etkileşimler konusunda bugüne kadarki en sıkı sınırların bazılarını ortaya çıkardılar.

Karanlık madde dedektörleri olarak gezegenler

Ekibin bulguları, güneş sistemindeki dört dev gezegenin doğal karanlık madde dedektörleri olarak kullanılması fikrini güçlendiriyor. Özellikle, karasal dedektörlere ulaşmadan önce durdurulacak çok hafif parçacıklar ve güçlü etkileşime giren karanlık madde dahil olmak üzere, Dünya üzerindeki yeraltı deneyleri için erişilemeyen karanlık madde parametre uzayı bölgelerini araştırabilirler.

Blanco şöyle açıklıyor: “Enerjiyi bu gezegenlerin yapıldığı hidrojene en verimli şekilde aktaran protonun kütlesine yakın karanlık madde için hassasiyet zirve yapıyor.” “Dört dev gezegenin boyutu, sıcaklığı ve bileşimi farklı olduğundan her biri farklı karanlık madde kütlelerini ve modellerini araştırıyor.”

Aynı zamanda tahmin edilen hassasiyet, karanlık maddenin bir gezegen tarafından ele geçirildikten sonraki davranışı hakkında yeni soruları gündeme getiriyor. Özellikle gezegensel ısı, en hafif karanlık madde parçacıklarının gözlemlenebilir bir atmosferik imza oluşturmadan önce kaçmasına izin vererek tekniğin hassasiyetini azaltabilir.

Araştırmacılar, bu soruların çoğunun, 2031’de Jüpiter’in yörüngesine girecek olan ESA’nın JUICE uzay aracı da dahil olmak üzere gelecekteki görevlerle çözülebileceğini umuyorlar. Blanco, “JUICE bir ultraviyole spektrometre taşıyor ve önerilen bir Uranüs misyonu, buz devlerini Voyager 2’den bu yana ilk kez yeniden ziyaret edebilir” diye tahmin ediyor.

“Geleceğin ultraviyole teleskopları, yakındaki Süper Jüpiter’in olağanüstü derecede hassas bir karanlık madde dedektörü olacağı devasa dış gezegenlerde bu parıltıyı arayabilir.”