木星任务也可以帮助寻找暗物质

美国宇航局的朱诺号宇宙飞船通过时拍摄的木星大红斑及其剧烈的南半球的精彩图像 close 到气态巨行星。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute/Malin Space Science Systems/Kevin M. Gill

在最近发表在《高能物理学杂志》上的一项研究中,布朗大学的两名研究人员展示了过去木星任务的数据怎样帮助科学家研究暗物质,这是宇宙中最神秘的现象之一。 选择过去的木星任务的原因是因为收集了有关太阳系中最大行星的大量数据,最值得注意的是来自伽利略和朱诺轨道器的数据。 暗物质难以捉摸的性质和组成,无论是比喻性的还是字面上的,都让科学家们难以捉摸,因为它不发光。 那么,为什么科学家们继续研究这种神秘且完全不可见的现象呢?

“因为它就在那里,我们不知道它是什么,”布朗大学博士后研究员、该论文的主要作者李凌峰博士说。 “有来自非常不同的数据集指向暗物质的有力证据:宇宙微波背景、星系内的恒星运动、引力透镜效应等等。简而言之,它表现得像一些冷的、非互动的(因此是黑暗的)尘埃在大长度尺度上,而它的性质和在较小长度尺度内可能的相互作用仍然未知。它一定是全新的东西:与我们的重子物质不同的东西。

在这项研究中,研究人员讨论了怎样利用木星巨大磁场和辐射带中的俘获电子来检查存在于所谓的暗区和我们的可见世界之间的暗物质和暗介质。 他们推断了木星辐射带内被俘获电子的三种情况:完全俘获、准俘获和未俘获电子。 他们的结果表明,伽利略和朱诺任务记录的测量结果表明,产生的电子可以完全或准被困在木星最内层的辐射带内,最终促成高能电子通量。

这项研究的一个目标是提供初步努力,利用来自先前、活跃和未来木星任务的数据来研究超越传统粒子物理学模型的新物理学。 虽然这项研究的数据是从伽利略和朱诺轨道器在木星的长达数年的任务中收集的,但李认为这种类型的研究不能使用来自其他行星(如土星)的其他长期任务的数据来进行及其历史性的卡西尼号任务。

“首先,木星比土星重得多,”李解释说。 “它的逃逸速度几乎是土星的两倍,这意味着木星的暗物质捕获率大大提高。此外,木星没有明显的主环,电子可以在被吸收之前被困很长时间由环材料。太阳系中的其他天体太小了(例如,地球)。太阳是一个非常有趣的目标,但它的磁场非常重要。我们还不知道怎样解释太阳数据,但值得进一步考虑。”

虽然李说他们还没有决定下一步的研究方向,但论文最后提出了对未来木星任务的建议,以扩大粒子物理学的范围,同时提供对本文讨论的高能电子通量的更精确测量。