“Темне пекло”: науковці виявили, що невідома матерія може розтопити ядро Землі

Нове дослідження показало, що певні типи частинок темної матерії теоретично можуть нагріти центр Землі настільки, що її тверде ядро розплавиться, передає IFLScience. Цей сценарій, який науковці назвали “темним пеклом”, не спостерігається в реальності, і саме це дозволяє звузити коло можливих характеристик темної матерії — невидимої субстанції, яка, за сучасними оцінками, становить близько 80% усієї матерії у Всесвіті.

Автори роботи, опублікованої у журналі Physical Review D, Крістофер Каппіелло та Тансу Дейлан з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі, розглянули, як частинки темної матерії можуть накопичуватися в центрі Землі. За їхніми словами, там, де гравітаційні сили найсильніші, зокрема в ядрі, частинки можуть стикатися зі своїми античастинками. У результаті відбувається анігіляція — процес взаємного знищення, під час якого вивільняється енергія у формі тепла. 

“Швидкість анігіляції масштабується пропорційно квадрату щільності темної матерії”, — зазначають дослідники. Іншими словами, чим більша концентрація частинок, тим активніше вони взаємодіють і тим більше енергії створюють.

Якби такого тепла утворювалося надто багато, внутрішній тиск у центрі планети не зміг би утримати тверду структуру ядра, і воно частково розплавилося б. Саме цей можливий ефект учені метафорично назвали “темним пеклом”. На основі розрахунків вони визначили максимальний розмір потенційно рідкої зони — радіус близько 400 кілометрів, і відповідну граничну потужність тепловиділення на рівні приблизно 20 тераватів.

Сейсмічні дані показують, що Земля має тверде внутрішнє ядро діаметром близько 2500 кілометрів, і будь-яка значна рідка ділянка всередині нього порушила б проходження сейсмічних хвиль. Оскільки цього не спостерігається, дослідники роблять висновок, що реальне тепловиділення від темної матерії є набагато меншим, ніж теоретично можливо. Таким чином, відсутність “пекла” вказує на межі енергії, яку може вивільняти темна матерія, — і це звужує параметри, у яких варто її шукати.

Науковці також пояснюють, що накопичення темної матерії в ядрі не може відбуватися лише завдяки гравітації. Частинки повинні втрачати енергію під час зіткнень зі звичайною матерією, щоб поступово осідати в центрі планети. Ступінь концентрації залежить від маси частинок — легкі розподіляються рівномірніше, тоді як важчі зосереджуються ближче до ядра.

Каппіелло та Дейлан наголошують, що їхня робота не суперечить попереднім дослідженням, але розширює уявлення про можливі маси частинок темної матерії. Водночас вони визнають, що результати залежать від кількох припущень. Якщо у Всесвіті темної антиматерії значно менше, ніж темної матерії, швидкість анігіляції буде низькою. А якщо енергія вивільняється переважно у вигляді нейтрино — елементарних частинок, що майже не взаємодіють із речовиною, — нагрівання буде мінімальним і залишиться невловним.

Майбутні місії на Місяць можуть допомогти розкрити природу темної матерії. Спостереження слабких радіосигналів водню з раннього Всесвіту на частотах близько 50 МГц дасть змогу визначити масу частинок темної матерії та з'ясувати, чи є вона “холодною” або “теплою”. Зворотний бік Місяця є оптимальним місцем для цих спостережень, оскільки там панує “радіотиша” — відсутні перешкоди від земних технологій та іоносфери, що блокують ці сигнали на Землі.