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巨行星或成天然暗物质探测器：紫外气辉揭示新线索
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研究背景
暗物质作为宇宙中占比约85%的未知物质，长期以来只能通过引力效应间接感知。直接探测实验通常放置在地下实验室，但对某些质量范围或相互作用类型的暗物质粒子并不敏感。近年来，科学家开始探索利用天体作为天然探测器，其中巨行星因其庞大的体积和丰富的氢元素成为理想候选。
2024年，普林斯顿大学的Carlos Blanco与SLAC国家加速器实验室的Rebecca Leane首次提出，暗物质粒子被巨行星捕获后相互湮灭，释放的能量可电离大气中的氢分子，进而产生可观测的辐射信号。他们最初聚焦于红外波段，由三原子氢离子（H₃⁺）发射。但这一信号依赖于特定行星大气成分。
紫外气辉的新思路
在最新研究中，研究团队将目光转向紫外波段。暗物质湮灭产生的高能电子在电离氢分子的同时，也能直接激发分子氢，使其跃迁后发出紫外光。这种紫外气辉在所有巨行星大气中都可能发生，不受成分差异影响，因此可同时用于多颗行星的对比分析。
“人类自亚里士多德时代就开始思考大气辉光现象，现在它成为探测暗物质的新工具。”Blanco表示。由于白天阳光会淹没任何暗物质信号，团队专注于行星夜面（背向太阳一侧）的观测数据。
利用行星飞越历史数据
迄今为止，仅有少数航天器在飞越巨行星时获取了足够灵敏的紫外夜辉数据：旅行者1号、旅行者2号和新视野号。这些探测器在飞越木星、土星、天王星和海王星期间，记录了大气自身的微弱紫外辐射。
研究团队将预测的暗物质湮灭产生的紫外信号上限与实际观测值对比，要求暗物质贡献不得超过观测到的自然辉光强度。由此，他们得到了目前对暗物质与普通物质相互作用强度最严格的约束之一，特别是针对质量接近质子质量的暗物质粒子。
四颗巨行星的互补优势
木星、土星、天王星和海王星在大小、温度、大气组成上存在显著差异，这使它们对暗物质的质量范围和模型具有不同的敏感度。
- 木星：质量最大，捕获暗物质效率最高，但内部温度也高，可能导致轻质量暗物质粒子在产生信号前逃逸。
- 土星：密度较低，对某些相互作用模型有独特敏感性。
- 天王星和海王星：作为冰巨星，大气成分与气态巨行星不同，可探测到不同类型的暗物质-普通物质相互作用。
研究指出，对于质子质量附近的暗物质粒子，能量转移效率最高，因此巨行星氢大气对此类粒子最为敏感。此外，强相互作用的暗物质可能被地球大气层完全阻挡，却能被巨行星捕获并产生信号——这正是地下实验无法企及的区域。
未来任务与展望
目前的结果仍受限于数据质量和观测几何。团队期待未来任务能提供更精确的紫外光谱：
- 欧洲航天局的JUICE探测器将于2031年进入木星轨道，其上搭载的紫外光谱仪可对木星大气进行长期监测。
- 拟议中的天王星轨道器将首次自旅行者2号以来重访冰巨星，获取高分辨率紫外夜辉数据。
- 更长远来看，下一代紫外望远镜可观测系外巨行星（如超级木星），它们可能成为银河系中最灵敏的暗物质探测器。
Blanco总结道：“这些巨行星本身就是暗物质探测的天然实验室。随着未来任务数据的到来，我们有望进一步揭示暗物质的神秘面纱。”
这项研究已发表于《物理评论快报》，并被Phys.org等科学媒体广泛报道。
原标题：Giant planets could act as dark matter detectors。 来源：phys.org。