当暗物质成为一颗行星

翻译：王婧彧

校对：王茸申振宇

审阅：牧夫校对组

美编：徐玖坤

后台：

太阳系“第九行星”的艺术想象图

图片来源：Nagualdesign/Tomruen/Wikimedia Commons

或许目前我们还没发现很多类似太阳系的行星系统，但行星系之间至少有一个共同点：它们都是由组成太阳系的普通重子物质构成的。

但是，如果行星是由标准模型之外的粒子构成的呢？比如，行星是否可以由暗物质这种神秘的物质组成？

仅仅运用我们目前掌握的知识，没人能回答这个问题。但是由美国威斯康辛麦迪逊大学理论物理学家Yang Bai带领的研究团队想要知道这些假设中的行星会是什么样，以及如果它们真实存在的话，我们能否探测到它们。

简单来说，如果某些条件满足的话，我们是能探测到它们的。该团队在预印本网站arXiv上发表的一篇论文解释了原因。

宇宙中有许多悬而未决的谜团，暗物质是最神秘的谜团之一。我们不知道暗物质是什么，长什么样以及由什么构成。我们目前唯一可以确定的是，宇宙中的引力远远超过了重子物质能够产生的。

当你计算了每一个星系、每一颗恒星和每一团漂浮在恒星间的星际尘埃产生的引力后，仍发现有多余的引力。我们不清楚这些未被计算出的引力是由什么产生的，但把这种引力的来源叫做暗物质。目前，科学家们正在研究几种暗物质的候选理论。

广义上说，这些候选者可以被分为两类：单粒子和复合体，包括宏观上具有行星级质量的暗物质群。正如Bai和他的同事解释的，“如果宏观上质量或/和半径与行星类似的暗物质处在一个恒星系中，虽然组成成分十分不同，它会表现得像一颗暗物质行星。”

目前探测系外行星的方法很大程度上是基于行星对其母星发出光线的影响，我们可以利用它来测量系外行星的特性。

当系外行星穿过我们和其母星的连线，也就是“凌星”时，恒星的亮度由于被遮挡会略微变暗。天文学家们可以通过测量恒星变暗的多少来计算行星的半径。行星的引力也会影响其母星，使其在围绕两者引力中心运动的基础上稍有移动，这可以通过母星发出的光的波长变化探测到（多普勒原理）。这种移动（径向速度）被用来计算行星的质量。

有了这些数据，我们就能计算行星的密度，也就能推断其组成。如果是类似木星的低密度，那么就可能是一个巨大的，有着低密度大气的气态巨行星。如果是类似地球的高密度，那可能是由岩石组成的。通常来说，前者半径比后者大。

Bai和同事表示，这种方法可以被用来探测暗物质行星。暗物质行星或许具有不同于普通系外行星的特性，与我们目前对行星形成的理解相悖：也许它有着比铁还高的密度，或者有着难以解释的低密度。

尽管目前没有探测到这样的行星，但科学家们喜欢这样的思想实验。

此外，天文学家们能利用凌星数据反演系外行星大气参数。他们通过比较凌星和非凌星时恒星发出的的光，寻找出变暗和变亮的波长。

这意味着某些波长的光被吸收或者/并且被行星大气中的分子重新发射了。通过研究这些数据，科学家们能知道行星大气中有哪些分子。如果透射光谱（凌星时的恒星光谱）表现异常，也许意味着这是个暗物质行星。

如果径向速度表明将会有凌星发生，但我们却没有观测到，这可能是存在暗物质行星的一个暗示。如果凌星时恒星的亮度变化（光变曲线）形状出乎意料的话，这也可能是一条寻找暗物质行星的线索。

研究者写道，“虽然暗物质与标准模型粒子的相互作用非常小，但并非没有，因此暗物质行星并不是完全不透明的。这使我们能区分它和普通行星产生的光变曲线。”

Bai和同事计算了这种光变曲线的形状，为将来更复杂的理论分析打下了基础。

研究团队提到了这项研究还有许多要提高的地方，例如他们目前只考虑了圆形轨道，但实际上许多系外行星有着椭圆形轨道，特别是被恒星引力捕获的行星，这也是人们通常认为暗物质行星存在的地方。同时，研究中的行星的参数被简化了。

未来对于早期暗物质系外行星-恒星系统形成和暗物质行星捕获的研究，将会帮助研究人员弄清探测到暗物质行星的可能性。如果没有探测到，那么给出暗物质行星的数量上限也是十分必要的。

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来源：牧夫天文

编辑：万象