Nowe modele teoretyczne sugerują, że ciemna materia gromadząca się wewnątrz gazowych olbrzymów może prowadzić do powstania czarnych dziur – obiektów, które moglibyśmy wykryć za pomocą obserwacji astronomicznych.
Planety jako laboratoria kosmiczne
Astronomowie odkryli już ponad 5000 planet krążących wokół gwiazd poza naszym Układem Słonecznym. Te odległe światy, zwane egzoplanetami, stały się kluczowym źródłem wiedzy o procesach formowania się i ewolucji planet. Obserwując je, naukowcy próbują także odpowiedzieć na jedno z najważniejszych pytań: czy życie może istnieć gdzieś jeszcze we Wszechświecie?
Nowe badania wskazują jednak, że egzoplanety mogą służyć także do badania jednej z największych zagadek współczesnej astrofizyki – ciemnej materii. Jest to hipotetyczna forma materii, która nie emituje światła ani promieniowania i dlatego nie możemy jej bezpośrednio zaobserwować. Wiemy jednak o jej istnieniu dzięki oddziaływaniom grawitacyjnym – to ona odpowiada za to, że galaktyki nie rozpadają się mimo ogromnych prędkości obrotu. Szacuje się, że ciemna materia stanowi aż około 85% całej materii we Wszechświecie.
Ciemna materia w sercach planet
Według analiz, cząstki ciemnej materii mogą stopniowo gromadzić się we wnętrzach masywnych planet – zwłaszcza takich, które rozmiarami przypominają Jowisza. Z biegiem miliardów lat materia ta może osiadać w jądrach planet, powoli koncentrując się w jednym punkcie.
Choć żadna cząstka ciemnej materii nigdy nie została bezpośrednio wykryta w eksperymentach prowadzonych na Ziemi, jej istnienie jest tak dobrze uzasadnione obserwacjami kosmicznymi, że większość astrofizyków nie ma wątpliwości co do jej realności.
Astronomowie korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a NASA odkryli pierścień ciemnej materii, który powstał dawno temu podczas gigantycznego zderzenia dwóch masywnych gromad galaktyk. Odkrycie pierścienia jest jak dotąd jednym z najsilniejszych dowodów na istnienie ciemnej materii. Chociaż astronomowie nie wiedzą, z czego składa się ciemna materia, stawiają hipotezę, że jest to rodzaj cząstek elementarnych, które przenikają Wszechświat. To zdjęcie złożone z Hubble'a przedstawia pierścień ciemnej materii w gromadzie galaktyk CL 0024+17. Struktura przypominająca pierścień jest widoczna na niebieskiej mapie rozmieszczenia ciemnej materii w tej gromadzie. Mapa powstała na podstawie obserwacji Hubble'a, które wykazały, jak grawitacja gromady Cl 0024+17 zniekształca światło odległych galaktyk – jest to złudzenie optyczne zwane soczewkowaniem grawitacyjnym. Chociaż astronomowie nie widzą ciemnej materii, mogą wnioskować o jej istnieniu, mapując zniekształcone kształty galaktyk tła. Mapa jest nałożona na zdjęcie gromady wykonane przez Hubble Advanced Camera for Surveys w listopadzie 2004 roku. Źródło: Wikipedia
Superciężka, nieanihilująca ciemna materia
Kluczowy wniosek badań dotyczy tzw. modelu superciężkiej, nieanihilującej ciemnej materii.
- „Superciężka” oznacza, że hipotetyczne cząstki są miliony razy masywniejsze od protonu (czyli podstawowego składnika atomowego jądra).
- „Nieanihilująca” – że nie niszczą się nawzajem przy spotkaniu, w przeciwieństwie do np. materii i antymaterii, które w kontakcie ulegają anihilacji i zamieniają się w energię.
W tym modelu cząstki ciemnej materii mogłyby stopniowo tracić energię, „opadając” ku wnętrzu planet. Tam akumulowałyby się, aż w końcu zapadłyby się w miniaturową czarną dziurę.
Od planety do czarnej dziury
Tak powstała czarna dziura zaczęłaby pochłaniać materię planety, powiększając się i ostatecznie przeobrażając całą planetę w obiekt o masie odpowiadającej pierwotnej masie planety. W rezultacie mielibyśmy do czynienia z czarną dziurą o rozmiarze porównywalnym do planety – coś, czego dotąd nigdy nie zaobserwowaliśmy.
Dotychczas astronomowie wykrywali czarne dziury tylko o masach większych od masy Słońca. Odkrycie czarnej dziury o masie planetarnej byłoby przełomowym wydarzeniem: dostarczyłoby bezpośredniego dowodu na słuszność jednego z modeli ciemnej materii i podważyłoby powszechnie przyjmowane przekonanie, że czarne dziury wielkości planety mogły powstawać jedynie we wczesnym Wszechświecie, tuż po Wielkim Wybuchu.
Dlaczego akurat egzoplanety?
Egzoplanety rzadko były wykorzystywane w badaniach nad ciemną materią – głównie z powodu braku wystarczających danych obserwacyjnych. Sytuacja jednak się zmienia. W ostatnich latach nastąpił gwałtowny rozwój astronomii obserwacyjnej, a kolejne misje kosmiczne (takie jak teleskop Jamesa Webba) dostarczają ogromnych ilości precyzyjnych informacji o planetach pozasłonecznych.
Co więcej, niektóre regiony naszej Galaktyki – jak centrum Drogi Mlecznej – są uważane za szczególnie bogate w ciemną materię. Planety krążące w tych obszarach mogłyby być naturalnymi „pułapkami” dla cząstek ciemnej materii.
Wizja artystyczna różnorodności egzoplanet uwzględnionych w nowym katalogu NASA TESS-Keck Survey Mass Catalog. (Źródło: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko). Więcej informacji: DOI 10.3847/1538-4365/ad4484
Egzoplanety a wcześniejsze metody badań
Dotąd ciemną materię badano głównie poprzez analizę wpływu na inne obiekty, takie jak:
- Słońce,
- gwiazdy neutronowe (bardzo gęste pozostałości po wybuchach supernowych),
- białe karły (wypalone gwiazdy o masie porównywalnej ze Słońcem, ale rozmiarze zbliżonym do Ziemi).
Na przykład pewne modele ciemnej materii przewidują, że powinna ona podgrzewać gwiazdy neutronowe. Gdybyśmy zatem znaleźli bardzo zimną, starą gwiazdę neutronową, moglibyśmy wykluczyć te konkretne modele.
Podobnie obecność wielu gazowych olbrzymów, które wciąż istnieją (np. Jowisz w naszym Układzie Słonecznym), sugeruje, że jeśli ciemna materia rzeczywiście może zamieniać planety w czarne dziury, to musi dziać się to w bardzo specyficznych warunkach. To z kolei pozwala zawęzić pole doświadczalnych i teoretycznych poszukiwań.
Co mogą przynieść przyszłe badania?
Jeśli astronomowie odkryliby populację czarnych dziur o masie planetarnej, byłby to silny argument za słusznością modelu superciężkiej, nieanihilującej ciemnej materii.
Innym możliwym skutkiem gromadzenia się ciemnej materii w planetach jest podgrzewanie ich wnętrz lub emisja wysokoenergetycznego promieniowania. Obecne teleskopy nie są jeszcze w stanie wykrywać tak subtelnych efektów, ale przyszłe instrumenty – zarówno naziemne, jak i kosmiczne – mogą to zmienić.
Egzoplanety w centrum kosmicznej debaty
Egzoplanety, które początkowo badano głównie z perspektywy astrobiologii, dziś stają się również narzędziem do testowania teorii kosmologicznych. W miarę gromadzenia nowych danych mogą odegrać kluczową rolę w rozwiązaniu jednej z największych zagadek nauki – czym jest ciemna materia i jakie właściwości naprawdę posiada.
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Więcej informacji: publikacja „Probing superheavy dark matter with exoplanets” autorstwa Mehrdada Phoroutana-Mehra i Tary Fetherolf, 20 sierpnia 2025 r., Physical Review D. DOI: 10.1103/qkwt-kd9q
Na ilustracji: wizja artystyczna materii wypełniającej wszechświat. Źródło: SciTechDaily
