巨型行星有望成为暗物质“探针”

巨行星可以用于探测暗物质

概要

从太空中可以看到地球夜间大气层的气辉。来源：美国国家航空航天局约翰逊航天中心

巨行星大气中的紫外线光可能部分源于暗物质与普通物质之间的间接相互作用，美国研究人员对此进行了严格的测试。在普林斯顿大学卡洛斯·布兰科的带领下，该团队的研究结果对这种相互作用的强度提出了最严格的限制。这项研究还进一步证实了我们太阳系中的巨行星可以探测暗物质。

紫外气辉

看向地球的大气层，夜空并不是完全漆黑一片。白天，大气分子在太阳辐射的作用下电离后可以重新结合，在整个夜间持续发射光子。

“气辉”这一现象最早在2000多年前就有记录。然而，2024年，斯坦福线性加速器中心国家加速器实验室的布兰科和同事丽贝卡·利恩提出，当暗物质粒子在巨行星内部湮灭时，可能会产生一种不同的气辉。

二人提出，随着太阳系在银河系中运动，像木星这样的巨行星可能会捕获大量暗物质粒子。当这些暗物质粒子湮灭时，释放的能量可以电离附近的氢分子。电离产生的离子会迅速反应形成三氢阳离子。三氢阳离子在从高能态跃迁至较低能态时，会发出红外辐射。

通过对比这种红外辐射的预测结果与木星高层大气的观测数据，布兰科和利恩首次对暗物质相互作用是否能产生可检测出的大气指标给出了可靠的限制。但是这种红外信号依赖于三氢阳离子，所以，只有特定的行星大气才具备这样的环境。

“接下来的问题就是，是否有一个标志性特征能普遍适用于所有巨行星，”布兰科说，“自亚里士多德以来人类一直好奇的紫外气辉现象，正是标志性特征。”

三氢阳离子

直到20世纪80年代，H3+的光谱才由冈武史使用频率调制检测技术获得，它具有ν2基频谱带。这是在太空中寻找H3+的开端。20世纪80年代晚期，很快获得了发射光谱，随后的90年代早期则是在木星、土星和天王星的电离层中发现了它。

H₃⁺是宇宙中最简单的多原子离子，需高浓度分子氢（H₂）经电离（宇宙线或极紫外辐射）才能生成，地球等岩石行星缺乏此富氢环境，几乎不产生该信号。

SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory），简称SLAC，是美国能源部下属的国家实验室，由斯坦福大学负责运行管理。该实验室成立于1962年，位于加利福尼亚州门洛帕克市，占地426英亩，原名为斯坦福直线加速器中心，2008年10月改为现名。

再访行星飞掠

在学者们最新的研究中，布兰科，莱恩和其他同事研究了暗物质湮灭的另一个可能的后果。他们并没有寻找 H₃⁺的红外辐射，而是检验了电离过程产生的高能电子能否直接激发分子氢，让其发射紫外线。

“除了电离中子，电离电子也可以使分子氢发出紫外光，这是一个可以在所有巨型行星上同时搜寻到的特征，”布兰科解释道。

因为任何暗物质引起的发光都可能被太阳光淹没，该团队将观测重点放在了夜间行星上。在理论所预测的微弱光强下，只有通过航天器飞掠获得的数据才适用。至今为止，这些数据由旅行者1号，旅行者2号和新视野号在飞掠木星，土星，天王星和海王星的时候提供。

巨行星大气本身就会通过自然过程产生微弱的紫外夜辉，研究人员们便搜寻了其他可能来自暗物质的辐射。他们通过设置一个条件——预测的暗物质信号不亮于航天器实际观测到的紫外夜辉——对相关理论给出了新的约束，得出了迄今为止暗物质与普通物质相互作用方面最严格的限制之一。

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行星作为暗物质探测器

该团队的发现进一步确定了用太阳系的四个巨行星来探测暗物质的可行性。尤为关键的是，这些行星能够探测到地球上的地下实验所无法触及的暗物质参数空间，例如质量极轻的粒子，和在抵达地球探测器表面前就被阻挡的强相互作用物质。

“探测灵敏度在暗物质质量接近质子是达到高峰，因为此时能量能最高效地传递给构成这些行星氢元素。由于这四颗巨行星在大小，温度和成分上各不相同，每一个巨行星都能探测不同质量的暗物质和不同理论模型。”布兰科解释道。

同时，预测的敏感度也引出了关于暗物质被行星捕获后行为的全新问题。特别是，行星内部的热量可能导致最轻的暗物质粒子在被行星捕获后，还未及在大气中产生可观测的信号就已逃逸，从而削弱了这种探测技术的灵敏度。

研究人员们希望未来的探测任务可以给这些悬而未决的问题带来解答，例如计划于2031年进入木星轨道的欧洲空间局“果汁号”（ESA's JUICE）。布兰科预测到：“JUICE搭载了紫外光谱仪，而一项拟议中的天王星任务将是旅行者2号之后首次重新探测冰巨行星的。未来的紫外太空望远镜则可以在大质量系外行星中搜寻这种辉光信号，因为一颗近距离的超级木星将成为极其灵敏的暗物质探测器。”

BY：universetoday

FY：Astronomical volunteer team

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审核：天文志愿文章组-

选文：天文志愿文章组-

排版：零度星系

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：https://phys.org/news/2026-07-giant-planets-dark-detectors.html

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